质子交换膜燃料电池调研报告

调研报告

燃料电池是通过电化学反应将化学能直接转化为电能的装置，其主要特点是能量转换效率高、环境污染小，被誉为21世纪的主要能源之一，是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。新能源技术被认为是新世纪世界经济发展中最具有决定性影响的领域之一，燃料电池的广阔应有前景已引起了世界各国的高度重视，发达国家政府和大型公司投入巨资支持燃料电池技术的研究和开发，我国政府也将燃料电池技术列入国家科技攻关计划之中。为此，燃料电池及其相关技术技术的研究与开发成为近些年的热电课题，在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域的应用取得非常有意义的进展。

一国内外燃料电池技术的发展状况

1 国际燃料电池技术的发展状况

发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。

2 中国燃料电池技术的发展状况

中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究。中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。中国政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出百瓦级-30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。

在当今全球能源紧张、油价高涨的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显，清洁、高效，因此得到各国政府的大力支持，加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。

尽管现在燃料电池的市场需求相当小，预计在随后的十年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。现在对于便携式燃料电池的需求相当少，但便携式燃料电池市场将是从现在到2015年甚至更长时间增长最快的市场。应用于消费电子产品的燃料电池系统在最近几年中就会商业化。

二燃料电池的优缺点

1 然连电池的优点

(1)高效

燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。它不通过热机过程，因此不受卡诺循环的限制。在理论上它的热电转化效率可达85%～90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制。目前各类电池实际的能量转化效率均在40%～60%的范围内。若实现热电联产，燃料的总利用率可高达80%以上。(2)环境友好

当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的。在制取过程中，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水,从根本上消除了氮的氧化物、硫的氧化物及二氧化碳等的排放。

(3)安静

燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kW 磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。(4)可靠性高

与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠。燃料电池从未发生过像燃烧涡轮机或内燃机因转动部件失灵而发生的恶性事故。燃烧电池系统发生的唯一事故就是效率降低。

(5)灵活性

灵活性是指发电厂计划与容量调节的灵活性，这对电力公司及用户来说是最关键的因素及经济利益所在。燃料电池发电厂可在两年内建成投产，其效率与规模无关，可根据用户需求而增减发电容量。

2 燃料的缺点

燃料电池有许多优点，人们对其将成为未来主要能源持肯定态度。但就目前来看，燃料电池仍有很多不足之处，使其尚不能进入大规模的商业化应用。

主要归纳为记下几个方面：

（1）市场价格昂贵；

（2）高温时寿命及稳定性不理想；

（3）燃料电池技术不够普及；

（4）没有完善的燃料供应体系。

三燃料电池分类

迄今已研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。据此，可将燃料电池分为：碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质；磷酸型燃料电池，以浓磷酸为电解质；质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；熔融碳酸盐型燃料电池，以熔融的锂——钾碳酸盐或锂——钠碳酸盐为电解质；固体氧化物燃料电池，以固体氧化物为氧离子导体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜为电解质。

有时也按电池温度对电池进行分类，分为低温(工作温度低于100℃)燃料电池；它包括碱性与质子交换膜燃料电池；中温燃料电池(工作温度在 100～300℃)，它包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池。高温燃料电池(工作温度在600～1000℃)，它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

表3-1 主要燃料电池及其特性