(发展战略)燃料电池研究状态与未来发展

燃料电池研究现状与未来发展

香山科学会议第59次学术讨论会于1996年8月24～27日举行。会议主题是“燃料电池研究现状与未来发展”。会议执行主席路甬祥与王佛松院士主持了会议。42位来自中国科学院、全国高校及公司等25个单位的燃料电池及相关学科的专家学者共同研讨燃料电池的发展现状和未来走向，以及发展我国燃料电池技术大计。

会议综述报告及中心议题讨论内容主要包括3部分：(1)燃料电池的总体评价；

(2)目前处于研究开发阶段的3种类型燃料电池的评价；(3)我国发展此技术应采取的战略与策略。

一、燃料电池的技术评价

燃料电池(Fuel cell缩写FC)是将气体燃料的化学能直接转化为电能的电化学连续发电装置。电池电化学基本反应：H2十l／202＝H20和CO十1／202＝C02。自150余年前被发明以来，现已发展了6种形式。它们分别为碱性(AFC)、磷酸(PAFC)、熔融酸盐(MCFC)、固体氧化物(SOFC)、聚合物离子膜(PEMFC或SPFC)及生物燃料电池(BEFC)。

概括而言，燃料电池具有以下优点：(1)能量转换效率高达45—60％。而火电和核电为30一40％；(2)有害气体SO x、NO x及噪音排放很低；CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低；元机械振动；(3)燃料适用范围广，凡能转化为H2和

CO燃料均可使用；(4)积木性强；规模及安装地点灵活；规模小(数十千瓦级)影响能量转换效率不明显。

现PAFC在发达国家已商业化；AFC在60年代末即用于航天器。其它方面的应用不如PEMFC更具优势；BEFC尚处于实验室的探索性基础研究阶段。目前各国的燃料电池的研究开发重点主要集中在MCFC、SOFC和PEMFC上。

1．MCFC运行温度650℃，燃料适用范围广，电催化剂为非贵金属，余热可为燃气轮机所利用，适用于固定式发电电站。在各国对燃料电池的经费投入中，MCFC所占比例最大。现国外(美、日、西欧)已有100kW级发电系统的运行，预计美国2000年实现商业化，日本计划2005年实现商业化。目前MCFC研究需要解决的关键技术问题有：(1)阴极(NiO)溶解，这是影响电池寿命的主要因素；

(2)阳极蠕变；(3)熔盐电质对电池双极板的腐蚀；(4)电解液流失。

2．SOFC作为运行温度最高的燃料电池(800—l000℃)，功率密度高，采用全固体结构，无腐蚀性液体，燃料适用范围广，天然气可不经重整直接使用。其尾气温度高达900℃，可为燃气轮机和蒸汽轮机所用，发电效率可达70％，如加上余热利用其燃料利用率可达90％，可用于大中小型电站，作为运载工具的驱动电源也有应用前景。目前SOFC研究十分活跃，电池模块的制备规模在美、日、德三国已达20一30kW。2000一2010年间可实现商业化。目前SOFC研究的重点在工程化和降低制作成本。

3．PEMFC以纯氢(CO＜10ppm)为燃料，低温下运行，便于起动，结构简单，

容易制作，无污染物排放，元腐蚀及电解流失问题，功率密度高达0.5—1.5W／cm2，适合作为移动电源，尤其用于汽车和潜艇的驱动电源目前最具吸引力。美、德、加、日等国投入巨资进行此方面的研究。降低成本主要从降低离子膜的成本和减少Pt的用量入手。PEMDC的基础研究主要集中在离子膜、系统的水热平衡和燃料储存与处理上。

二、主要学术观点

1．在概念上，燃料电池不同于一次和二次电池。虽然两者均基于电化学原理，但后者是间断式储能装置，而前者是连续式发电装置。

2．燃料电池(主要是MCFC和SOFC)将在中小型及分散配置的电源市场发挥特殊的作用，以弥补大型中心电站的水电、火电和核电的不足。在开发中，燃料电池可与火电技术结合建立新电站或作为前级改造旧火电厂，以提高发电效率和减少环境污染。而PEMFC可作为运载工具上的驱动电源发挥特殊作用。SOFC也有此方面的发展潜力。

3．各类燃料电池依发展阶段不同具有不同的技术难题，需要根据具体情况采取特殊的方法予以解决。但其原理上的相同、结构与系统上的类似，共性问题的解决有利于各特殊问题的解决。因此，燃料电池的系统的基础理论也应引起特别的重视。

4．燃料电池具有积木性的技术特点，因此，基本电池模块(如20—30kW)的制

备技术成熟和经济合理至关重要。

5．燃料电池技术是作为发电系统应用的，在研究开发的过程中应重视发电系统的概念设计与分析，以及针对应用对象的二次产品开发。

6．与目前传统的火力发电相比，燃料电池发电。如达到同样的生产规模，其综合生产成本(包括设备成本和发电与供电成本)有可能与之相当。

7．在燃料电池技术先进的国家，已出现了一些专门的燃料电池开发公司。目前MCFC、SOFC和PEMFC的发展规模相差并不很大，但就各自的技术特点而言，PEMFC则更易在小型电源市场上获得突破。但大规模的应用如电动车，则需发展我国的离子膜(PEM)。

8．在燃料电池制备中，应引入纳米材料。其优点为有利于电化学反应界面的优化设置、降低电极或电解质的烧结温度，以及由纳米颗粒的特有交电性质所带来的电池性能改善。

9．发展燃料电池技术既有工程放大的问题，也伴随有基础问题。因此，需要在两个层次上开展工作。

10．发展燃料电池技术可促进新材料、精密陶瓷和稀土工业的发展。

三、我国的发展战略与策略

会议执行主席路甬祥院士在“燃料电池的研究、开发现状及其发展趋势”的综述报告中，对我国发展FC技术提、出了若干重要建议：

1．发展燃煤FC技术。集中力量主攻MCFC和SOFC技术，这既是当前FC 领域尚未解决的艰难技术，又是我国急需的技术。

2. 发展电动车辆FC技术。我国已把汽车工业定为支柱产业之一。中国现有8.3×l06辆左右小汽车，到2000年可能增至20×106辆，有害排放物将成培增长。我们应优先开发PEMFC技术。

3. 发展分散发电FC技术。发展小型、分散、固定FC电站，例如PEFC装置。

4．发展农村FC技术。利用农村当地资源(牲畜粪便、秸杆等再生资源)为燃料，开发FC技术，对我国有重大现实意义。

5．暂不开发PAFC技术。

路甬祥院士、王佛松院士以及与会科学家还就战略目标、攻关重点的选择、科研管理组织等建议国家有关部门在决策时应考虑以下几方面：

1．明确战略目标(如分散式FC电站和电动车辆FC技术)和选择主攻关键技术，做好未来整体系统合理的战略分析。