开发陶瓷膜燃料电池(CMFC)大有可为

第 32 卷 2002 年
第3期 6月
电 BAT TERY
池 BIMON TH Y
VoI. 32，No . 3 2002 Jun . ，
开发陶瓷膜燃料电池 （ C M FC ） 大有可为
孟广耀
（中国科技大学材料科学与工程系， 固体化学与无机膜研究所， 安徽 合肥 230026） 摘要： 固体氧化物燃料电池 （ SOFC） 是世界公认的高效、 便捷和对环境友好的绿色能源。探索新型的高电导率电解质材料 和发展薄膜化制备技术， 研制高性能的中温陶瓷膜燃料电池以克服传统 SOFC 的高温操作带来的技术困难， 近几年来取得 了突破性进展， 简要介绍了这一历史性进程， 特别是作者实验室的工作进展。提出了我国陶瓷膜燃料电池产业化的构想， 展望了这种先进能源的发展前景。 关键词： 固体氧化物燃料电池； 陶瓷膜燃料电池； 产业化 中图分类号： T M911 文献标识码： A 文章编号： （2002） 1001 - 1579 03 - 0142 - 04
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国际上 SOFC 研制和产业化开发的现状与趋势
鉴于 SOFC 技术的突出优点， 发达国家一直以高投资力度
图1 Fig . 1
各种发电方式的能量转换效率
进行研制、 开发。据统计， 截至 1996 年全世界有 730 家研究单 位从事燃料电池的研究， 其中 SOFC 的研究约占一半， 每年经费 投入 1 ~ 2 亿美元， 各国基本上形成了政府支持、 公司参与、 研究 单位协作攻关的发展模式。 SOFC 的研究开发应该说取得了长 足的进展， 但其后 SOFC 研制曾一度陷于低潮， 被社会和企业界 所冷落， 这是由于 SOFC 本身的发展历史使然。美国西屋电气 公司 （现由德国西门子收购转为西门子-西屋公司） 发展的千瓦 级 SOFC 从 90 年代初就开始正常运行， 连续愈 8 万 1， 但有两个 缺点， 一是采用了类似于半导体工业中采用的化学气相淀积技 术即 CVD / EVD， 制作电解质薄层， 高超的技术也造成了过高的 造价； 另一方面， 是管状电池设计无法输出高的功率密度。 20 世纪 90 年代初提出板状设计， 可以得到比管状高得多的电流密 度、 功率密度， 更适合多种形式的应用装置开发， 可以发展在现 代陶瓷工艺中广泛采用的制造技术， 从而大大降低制造成本， 有利于市场化进程。当时人们预言 SOFC 可在 20 世纪 90 年代 末商品化。各国政府和一些大企业 （如德国西门子） 都纷纷立项 投资开展平板式 SOFC 的研制， 连人口仅仅 500 余万的丹麦还 （ 1992 ~ 1996 年） ， 但几年后无一 毅然投入 3 亿克郎发展 SOFC 家真正得到成功。丹麦 RISO 国家实验室试制 0 . 5kW 的电池 堆未运行几个小时就发生爆裂而失败。 SOFC 的研制在国际范 围内陷入了低潮。西门子公司则带头中止了平板状 SOFC 的研 制， 而花巨资从西屋公司手中购买了管状 SOFC 技术， 于 1997 年底 建 成 100kW 的 电 站， 截 至 2000 年 11 月 已 成 功 运 转 了 16 0001。 正当国际 SOFC 研制工作者处于历史性反思之际， 中国的 学者们做出了积极的反应。1998 年 6 月 14 ~ 17 日在北京香山 饭店举行了以 “新型固体燃料电池” 为议题的第 97 次香山科学 会议和 国 际 研 讨 会。中 国 第 一 次 “燃 料 电 池” 香山科学会议 （1996 年 8 月） 的主持者， 中国科学院院长陆甬祥积极支持这一 会议， 应邀参加会议的有当时国内进行燃料电池研究的各单位
图2 Fig . 2
以洁净天然气为燃料的电厂造价
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点， 称为第四代燃料电池。 SOFC 突出的优点主要表现在： ①发 电效率高， 是目前以碳氢化合物 （如天然气） 为燃料的燃料电池 （见图 中发电效率最高的一种， 其一次发电效率可达 65% 以上 ； 可以使用氢气、 天然气、 水煤气、 液化石油 1） ②燃料使用面广， 气等作为燃料， 还可以使用甲醇、 乙醇， 甚至汽油、 柴油等高碳 链的液体作燃料； 由于 SOFC 的操作温度在 ③余热利用价值高， 优质的余热可以用于热电联供， 可以推动微 600 ~ 1 000C 之间， 型涡轮机发电， 也可以供热， 实现电、 热联供， 总的发电效率可 达 85% 以上 （图 1） ； ④无须使用贵金属作为电极催化剂； ⑤由于 更适合进行模块化设计和放大， 还避免 SOFC 是全固态的结构， 了液态电解质所带来的腐蚀等问题。 Fig . 3 图3 各种燃料电池对燃料的要求 T1e reguirements of various fueI ceIIs on fueIs
Key words：SOFC； ceramic membrane fueI ceIIs； commerciaIization
固体氧化物燃料电池 （ SOFC） 具有高效、 便捷、 对环境友好、 高度燃料适应性等优点， 被誉为 21 世纪的绿色能源。但传统 须高温 （1 000C ） 下操作， 遇到了许 SOFC 以 YSZ 为固体电解质， 多技术困难， 从而严重影响了其产业化进程。探索高性能新材料 和开发薄膜化制备技术， 以实现 SOFC 的中温化是近几年的研制 趋向， 并取得了决定性的进展。薄层化电解质为核心的 SOFC， 可 以称为陶瓷膜燃料电池 （ CMFC） ， 在中温 （600 ~ 800C ） 下具有令 人满意的功率输出。 CMFC 比高温 SOFC 有更多的优点。强调 高能量转换效率和旨在取代现有固定发电站 SOFC 的高温操作、 是 SOFC 研制发展的误区之一。近几年来人们已转变了观念， 转 而侧重于 CMFC 中小型分散式能源的应用开发， 并已具有令人 振奋的业绩。 燃料电池市场化的关键在于降低其价格， CMFC 可以应用 价廉的陶瓷膜制造技术， 直接应用碳氢化合物燃料 （天然气、 城 市煤气、 合成气、 液化石油气、 生物质气及其气转化产物） ，无须 复杂的重整和附加设备， 因而作为新型分散电源比目前开发的 其他几种燃料电池具有更低的发电成本。 CMFC 被认为最有市 场化前景。近年来在全球范围内出现了中温 SOFC （ CMFC） 的 研制开发热潮。美国能源部和地方政府以及众多公司进行产 作者简介： 孟广耀 （1942 - ） ， 男， 山东莱州人， 中国科技大学教授， 博士生导师， 固体化学与无机膜研究所所长， 主要从事无机功能材料的 固体化学和制备化学，特别是陶瓷膜及其技术应用， 固体电化学和燃料电池研究。 基金项目： 国家科技部 863 计划资助 （2001AA323090） 业化开发。预计在 3 ~ 5 年内将形成 CMFC 能源市场。 近年来各国投资巨额开发 PEMFC 的电动汽车， 但面临若 不仅在新增分散能源发展中将 干重大技术障碍， CMFC 则不同， 占显著份额， 在移动电源特别是电动汽车开发中也将会大显身 手。本所近 10 年来致力新型中温固体氧化物陶瓷膜燃料电池 的研制， 目前正在承担国家 863 计划项目， 发展新型高性能关键 材料和制备技术， 为实现 CMFC 的产业化打下技术基础。 国际上中、 小型 SOFC / CMFC 分布式电源的商品化 （1 ~ 5 年内） 势头很猛， 加入 WTO 之后将很快形成对我国能源市场的 强烈冲击。鉴于我国 SOFC 研制起步晚、 投入少， 与国际先进水 平差距很大， 必须发展新材料和新制备技术。在 “十五” 863 计 划 SOFC 项目资助下， 以已有研究积累为基础， 通过先进的运作 机制和向企业界集资、 融资， 实现这一跨越式的发展。
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固体氧化物燃料电池 （ SOFC） - 21 世纪的绿色能源
鉴于燃料电池高能量转换效率、 操作方便、 对环境低污染
的特点， 近 10 年来世界各国普遍重视并大力投入研制开发。经 过碱性燃料电池， 磷酸燃料电池， 熔融碳酸盐燃料电池的发展 阶段， 目前国际公认固体氧化物燃料电池 （ SOFC） 更具有突出优
动力， 可以大幅度增加续航能力和减少燃料费用。 燃料电池的实用化、 市场化关键在于它们的成本。如图 2 所示， 在几种已开发的燃料电池中， 只有 SOFC 的制造成本可以 低于传统的发电方式。由图 3 可看出， SOFC 发电系统需要最 少的辅助、 外设设备，这为 SOFC 的应用装置的开发带来方便， 也减低了成本。所以， 应 SOFC 作为 21 世纪的高效绿色能源， 大力开发， 它在新ts for development of ceramic membrane fuel cells
MENG Guan g- yao
（ Uniuersity O f Science and TechnOlOgy O f China ， He f ei ， Anhui 230026， China） （ SOFC）was recognized as green power devices characterized by high energy efficiency， Abstract：SoIid oxide fueI ceII easy to use and environmentaI friendIy. In order to overcome the difficuIties in the traditionaI SOFC technoIogy due to its high operation temperature， there has been a trend to deveIop new eIectroIytes with higher ionic conductivity and technigues to fabricate thin eIectroIyte SOFCs， which couId （CMFC） be named as ceramic membrane fueI ceIIs . Some distinct breakthrough has been emerged. The progress， particuIarIy the research resuIts in the author’ s Iaboratory was outIined. The prospect to deveIop CMFC in China was proposed.