世界燃料電池的發展現狀怎樣
我國在60年代曾進行過多種燃料電池的試驗室研究工作（熔融碳酸鹽、堿性氫氧、離子交換膜，NH3空氣、肼空氣等），70年代曾投入大量人力、物力研製空間用燃料電池（離子交換膜、培根氫氧、石棉膜氫氧等）及地麵用燃料電池（NH3空氣、肼空氣）係統，並分別達到係統演示的程度。進入80年代，哈爾濱電站設備成套設計研究所進行了短期（1987～1991年）熔融碳酸鹽燃料電池探索性研究。美國近30年來一直在進行燃料電池的研究。美國政府（能源部）和私人公司每年燃料電池的總投資為7000萬美元（不包括能源部和國家宇航局NASA對國防和空間用燃料電池的投資）。在90年代達到燃料電池係統的商品化。
目前，美國主要有兩家公司在研製1～11兆瓦的分散型PAFC電廠，經過12千瓦級、40千瓦級和45兆瓦級的預先研製及現場試驗和演示，美國IFC與東芝合作研製的11兆瓦級分散型發電係統（準商用機）於1991年由日本東京電力公司五井火力發電廠進行試驗運轉。1993年3月完成了試驗。IFC研製的200千瓦級電廠，已有50多家訂貨，並在1992～1993年間陸續交貨。200千瓦級電廠目前價格為2500美元/千瓦，期望能在10年內降至1500美元/千瓦，再進一步降低至1000美元/千瓦。
自1987年起，美國燃料電池研究重點轉向MCFC和SOFC。對於MCFC的基礎研究是從1975年開始的，研究工作進展較快。
美國能量研究公司（ERC）從70年代就開始MCFC和內重整技術的研究，1992年製造4平方英米170千瓦級MCFC電堆，1992～1993年與RG&E一起對6平方英尺/120千瓦級的MCFC電堆進行評價試驗。根據NOMO協議設計製造的2千瓦級電池，計劃於1994年進行演示。1996年出售2千瓦級早期產品（計劃50台）。1998年開始出售正式商品，年生產能力約為400兆瓦。美國於1990年6月又成立了燃料電池商品化集團（FCCG），由ERC產品未來的用戶與投資者組成。ERC認為內重整煤製氣作燃料的電廠，效率可達47%。排放物COx、NOx至少比目前最嚴格的標準低一個數量級，釋放的CO2也由於係統效率高而很少。日本於1981年開始執行燃料電池發展15年計劃，是日本大規模節能計劃—月光計劃的一部分，對PAFC、MCFC、SOFC、AFC等四種燃料電池作研究。政府對月光計劃中燃料電池的總投資為4億美元。私人公司投資為政府的3～4倍，為12～16億美元。現日本每年花在燃料電池上的費用為1.2～1.5億美元。1990年政府追加約2億美元專門用於MCFC的研究。從1981～1990年集中研究PAFC，現已有2個1兆瓦級電廠，一個設在關西靚港發電所，低溫（190℃）、低壓（4大氣壓）型，分散發電。日本PAFC研究協會還製訂了下一階段目標，進行5兆瓦級集中型發電廠和1兆瓦級就地分散型發電PAFC的設計、製造與運轉試驗，以加速PAFC商品化。從1991年起，研究重點放在MCFC上。歐洲對燃料電池的注意在增長。歐共體製定了一個自1989～1992年的JOULE計劃（非常規或遠期能源聯合行動計劃）。各國的國家計劃都與歐共體的計劃緊密相連，具體方針是PAFC從日、美購買進行試運轉，MCFC及SOFC自行設計研究，但規模較小。韓國從日本購置5千瓦PAFC電堆，自己配置重整裝置，以甲醇為燃料，電池於1988～1989年進行了兩年試驗，現已完成。
新型燃料電池有哪些
世界上最大的燃料電池問世
由美國IFC公司製造，日本東芝公司改裝，安裝在東京電力公司五井火電廠進行連續運行試驗的容量為1.1萬千瓦（目前世界最大）的磷酸鹽型燃料電池發電係統，現已按7000千瓦負荷連續運行1000小時成功。今後擬繼續運行1萬小時以考核其裝備的可靠性、發電效率和質量。如經長期運行無問題，則下一步將出力提高到1.1萬千瓦設計值，繼續進行長期連續運行試驗，以便為轉入商業性運行創造條件。這台燃料電池耗資約百億日元，於1991年建成試運行。在運行中曾不斷進行改進。它以甲烷為燃料，發電效率已達40%，利用餘熱後總的熱效率可達70%。由於它基本上不排放NOx和SOx等汙染物，是首都圈內的理想的小型分散電源。適於醫院、賓館自用型的200千瓦級磷酸鹽型燃料電池已在大量試用中。
高溫下工作的燃料電池有商業前景
以商用為目的開發的燃料電池，因引起電化學反應的電解質種類不同，大體上可分為以下三種類型：
磷酸型電解質燃料電池工作溫度為200℃，最後的產物是電、蒸汽和熱水。這種技術基本上已達到實用階段，日本和美國都在推進其商用化。
融熔碳酸鹽型燃料電池這種燃料電池在高溫下以熔化狀態的碳酸鹽作為電解質，工作溫度為650℃，發電效率高。這種燃料電池由於需要熱量，也可以直接供給高溫氣體。
固體電解質型燃料電池采用固體氧化物的燒結體作為電解質，工作溫度高達1000℃。
在這三種類型的燃料電池中，工作溫度最高的就是固體電解質型燃料電池。這種燃料電池與其他類型的燃料電池相比，工作溫度（1000℃）要高得多，而且發電效率也高。另外，由於工作溫度高就能促進燃料電池的化學反應，而不再需要促進反應的催化劑，這也是一個特征。
因此，作為基本燃料，除了利用天然氣之外，還可利用包含一氧化碳的煤氣等氣體。進一步來說，這種類型的燃料電池因為構成要素全都是固體，耐用性也就有可能提高。而且由於製造方法和結構簡單，容易進行大量生產也是這種電池的一個優點。但是，如果要在實際中應用，開發高性能和高可靠性（長壽命）的陶瓷元件就十分重要了。突破這個重點的是東陶機器公司（TOTO）。東陶機器公司與九州電力公司合作，共同開發了固體電解質燃料電池。他們采用“漿料鍍層法”（將基片浸入能使原料分散的溶劑中進行焙燒而形成薄膜，再生薄膜上進行鍍層的方法）開發了圓筒型固體電解質燃料電池，這也是世界上首次獲得成功的燃料電池。這裏所謂的漿料，是應用該公司製造衛生陶器的技術研製的。該公司今後以2000年為目標，麵對實用進行開發必然取得更大的成果。當前他們在進行2000小時的耐久性試驗，有希望取得理想的結果。
第三代燃料電池開發取得顯著成就
天然氣驅動的陶瓷燃料電池有希望獲得便宜、清潔的電能。
澳大利亞科學家建造了一些小型陶瓷燃料電池。它們能直接把天然氣轉變成電能，無需發電機。正在研究這項技術的科學家認為，這種化學反應能比最好的常規燃氣發電廠多生產30%電能，而且它能給任何場合提供電能。這種氧化鋯燃料電池，使用礦物沙鋯（伴有其他奇異的物質）繞過這一工藝過程，直接把天然氣轉變成了電能。這種工藝過程還能產生1000℃高溫。如用來驅動燃氣輪機電廠，則效率可達80%。該工藝過程比常規燃氣發電對環境的危害小，它產生的二氧化碳隻有常規燃氣發電廠的一半。它產生的氧化氮和二氧化硫也比常規燃氣發電廠少得多。預計在七年內這種樣機可投入運行。陶瓷燃料電池公司計劃在今後5年中將花約2400萬美元研製這種燃料電池技術。這種燃料電池可製成積木式，它能為邊遠的作業單位提供動力，這樣做要比柴油發電或把該地同附近的電網連接起來要便宜。隨著需求量的增加，能層疊更多的燃料電池，以滿足增加的電力需求。第一代燃料電池在60年代用於航天器，使用的是磷酸，但實踐證明這種燃料電池效率很低。後來又研究過熔融碳酸鹽電池。以氧化鋯為基礎的第三代燃料電池，通常叫作固體氧化物燃料電池。燃料電池堆的成本約為一座發電廠的20%～30%，必須能連續運行5年才能在經濟上可行。這種燃料電池的運行時間能超過5年。小型燃料電池堆能為購物中心、醫院、軍事基地供電，而較大的燃料電池可為城市供電。美國威斯汀豪斯電氣公司研製成功的固體電解質型燃料電池已經連續運行5000小時，功率為25千瓦。這台燃料電池原型裝置在匹茲堡郊外研製成功，1993年1月底運往日本，設置在神戶市的六早新能源實驗中心。該公司將把實證試驗委托給關西電力公司，自己則開始研製100千瓦的裝置。固體電解質型燃料電池是不產生二氧化硫等大氣汙染物質的燃料中發電效率最高的（達60%以上），被認為是下一世紀的主要發電技術。日、美、加等國均在積極開發固體電解質燃料電池。日本東邦煤氣公司開發成功發電密度最高的固體電解質燃料電池。它采用在鋯質陶瓷電解質中加入氧化鉈添加劑，達到成本低和耐熱性好的目的。電池由厚025毫米自立型電介質板被電極夾緊而成，強度和導電率均為以前的2倍以上，發電試驗結果，平均1平方厘米發電1.61瓦（以前均＜1瓦），從而保證了電池體積的小型化。由於導電率的改善，工作溫度亦可降低。這樣對提高使用壽命亦有利。下一步擬進行實證試驗，爭取2000年商品化。美國道氏化學公司和加拿大巴蘭道動力公司決定合作開發使用陽離子交換膜新材料的高效第三代燃料電池，力爭2000年商品化。由於燃料電池以從天然氣等燃料中分解後的氫和氧通過塑料膜的電介質反應而發電。故薄膜變薄可加速離子通過速度而提高出力，道氏公司利用本公司生產交換膜和有經驗的燃料電池開發者巴蘭道公司合作，爭取2010年在可達數十億美元的大市場中占有大份額。日本新能源產業技術綜合機構已開始組織開發固體高分子電解質燃料電池。鑒於這種燃料電池電力密度高、體積小和低溫下啟動等特點，將來可作為電動汽車和家庭分散用電源。計劃到1995年投資10億日元，第一步先開發1千瓦級。關於實用電池組的開發，委托東芝、三菱電機和三洋電機負責。高分子固體電解質燃料電池和常用磷酸鹽型燃料電池不同，它以固體高分子膜為電解質，可在低溫下啟動，並占地小，1965年美國已用於宇航事業，但由於價格高和以純氫作燃料，故長期隻限於宇航和軍用。近年來隨著高分子膜性能和燃料處理技術的進步，美、德已開始研究用於民用，為此，日本亦緊緊趕上。
儲能用的再生型燃料電池
近年來鐵鉻氧化還原液流電池在日本快速發展起來，這是用於儲能的一種新型再生型燃料電池。這種電池於1975年開始小型研究，而到了80年代才作為大型節能技術開發目標之一，被列入日本工業技術院新型電池電力儲存係統的12年研究開發的“月光計劃”。這是一項完整的實用性電力儲存技術計劃。它的最終目標是研製成功功率為1000千瓦級的新型燃料電池電力儲存係統，這一係統的基準充放電時間為：8小時充電，8小時放電。總能量效率為70%以上（交流輸入、輸出功率）；壽命為充放電循環1500次以上（耐用年數約10年）；環保達到全部法定環境標準。這種新型鐵鉻氧化還原液流電池具有如下優點：①電、熱兩用可以提高電池能量效率，由於這種電池可在建築物地下空間設置電解液貯存箱，利用夜間電力蓄電同時蓄熱，白天進行供電調峰和供熱。②與太陽能電池、風力發電機配套，構成獨立供電係統。③與太陽光發電板、鉛蓄電池配套作為蓄電裝置，當發電裝置供給的電量大於負荷需要時，多餘的電量給鉛蓄電池和氧化還原液流電池充電；而當負荷用電量大於電源供給量時，鉛蓄電池給負荷供電，同時氧化還原液流電池給鉛蓄電池進行均等的充電。④可以利用鋼廠廢液或廢棄物發電。⑤發電部分和貯能部分相分離，因而壽命長、成本低、使用靈活。
質子交換膜燃料電池
質子交換膜（PEM）燃料電池使用固體聚合物電解質，它與用在空間飛行器中的燃料電池相似。該電池中的薄膜組件為夾層結構，中間是固體聚合物電解質，在膜的兩麵上都有一層鉑催化劑，在膜的兩側還分別有一個陽極和一個多孔碳陰極。與其他的燃料電池一樣，用氫和富氫的物質（如甲醇和天然氣）作為燃料。在汽車上，PEM燃料電池之所以有吸引力，是由於它能在需要時即刻提供動力，而磷酸燃料電池要經過一段時間才能達到全功率，然後才按恒定的輸出功率正常工作。與由磷酸燃料電池驅動的機車（如Marail）不同，PEM燃料電池不需要輔助蓄電池就能提供停止後再啟動的動力。該項技術至今尚未成熟，Mazda公司所表演的機車的最高速度僅為4023公裏/小時，在每充一次氫燃料之後，隻能走1207公裏。該公司正集中力量研究如何提高功率輸出並開發氫的存貯與處理技術，降低成本。
便攜式燃料電池
日本三洋電機公司宣布，它已開發出世界上第一個高性能的便攜式燃料電池。該公司稱，這個燃料電池重28公斤，能產生250瓦功率，足夠戶外攝象或從事文娛活動用，對環境無害。該燃料電池采用磷酸和吸氫金屬產生電能。預計還將研製家庭供電用的2千瓦或3千瓦的小型電池。
作為小型潛艇動力源的燃料電池
據英國VSEI公司報道，下一代小型潛艇將不會被聲納監測到。這家基地設在巴隆的公司計劃用無聲燃料電池代替現在一般潛艇用的高噪聲柴油機和電池係統。這種燃料電池一次就能使潛艇在水下作業達三個星期，而且無需補充燃料，電池靠氫氧產生電能。該公司計劃采用先讓煤氣通過被加熱的催化劑，然後再使其與水反應的方法來從液態甲醇中提取氫氣。而氧氣以液態形式儲存在潛艇的絕緣罐中。該公司發展部經理克萊夫-西摩說，傳統的燃料電池使用的是液態電解質，如果在潛艇的有限空間內泄漏，就會出現危險。而這種聚合物燃料電池所使用的是固態電解質，因而更安全、可靠。
燃料電池發展前景如何
據Arthur Dlittle谘詢服務公司的巴尼特博士預測，到本世紀末或下世紀初，世界對燃料電池的需要總數將超過400萬千瓦。巴尼特看到了燃料電池的一些固有優點，如較高的效率，較低的排放，較低的噪音水平及標準組合結構等。由於人們對全球變暖和空氣汙染的憂慮不斷增加，以及公共機構支持熱電聯產和獨立能源的趨勢，使燃料電池日益受到重視。巴尼特預料，開始應用時的功率範圍在50千瓦到5萬千瓦之內。他指出，把小型燃料電池設在都市負荷附近，將可避免增加額外輸、配電設備的費用。其他國家的預測，對巴尼特的預言提供了一定程度的支持。日本通商產業省預測，到2000年，日本燃料電池的裝機容量為105萬千瓦，2010年將增加到550萬千瓦；而美國公用電力協會預計，在15年後至2010年，美國公用事業的總需求為1400萬千瓦。國際燃料電池委員會認為，歐洲的電站忽視了比燃料石油、煤炭和天然氣更加清潔的能源，這就是燃料電池。許多人對此項技術感興趣。燃料電池是要使用電瓶的，這些電瓶不會枯竭，分解水之後可產生H2與O2，以及電力與熱量。目前市場上所銷售的電瓶，是通過氫氧反應產生電力，可釋放出44%的能量。可是，常規電站在最佳運行狀態下，也隻有35%的能量可轉變成電力。國際燃料電池委員會的成員約翰遜-馬真說：如果能很好地捕集到熱量，燃料電池的熱效率可達到80%，而燃氣輪機的熱電聯合循環裝置的熱效率也隻有50%。燃料電池的缺點是，在技術上還不夠成熟，價格也較昂貴。日本東京的大型燃料電池，其容量一般也隻有1.5萬千瓦。將來生產氫氣的主要方法，是“重整”天然氣，但這個過程要產生CO2。
盡管有上述缺點，然而國際電池委員會研究認為，如果在公路上用燃料電池取代汽油和柴油發動機，並取代電站所用的化石燃料，那麼，就會對環境保護帶來相當大的好處，今日的燃料電池可使CO2的排放量減少40%～60%。同時，也可使NOx的排放量減少90%以上。據國際電池委員會的報告預測，如果燃料電池的容量達到20萬千瓦，那麼，在經濟上就是可行的。日本通產省製定了一個目標，到2000年可使燃料電池的容量達到200萬千瓦，並且還要給予免稅，以資鼓勵。英國貿易和工業部已認識到燃料電池是“未來一種潛在的重要能源技術”。日本企業界為適應NOx排放規定日益嚴格的要求，正積極發展燃料電池發電。首先是煤氣行業較為積極。他們認為目前各種節能型的熱電聯產機組，如燃氣輪機、煤氣機和柴油發電機，常用的以柴油發電機較多，它占民用的54%，占工業用的56%，但其NOx排放量達40PPm，而即將實用的磷酸鹽型燃料電池NOx排放量僅2～3PPm，顯然，優越得多。盡管目前造價和成本還高，但技術已過關，隨著批量生產將大幅度降低，故日本和美國合作大批試用50～200千瓦機組。隨著俄國薩哈林油氣田的開發，正醞釀建一條天然氣管線向日本供氣，其次為電力行業。他們認為燃料電池是解決電力調峰的好辦法，由於占地不大，利用現有的變電所即可增設，不需另行購地，與收購上網的風電和光電基本上售價一樣，約每千瓦時電20日元，而燃料電池發電和垃圾發電一樣，有可能按每千瓦時10日元收購，經濟上較為合算。為了加速實用化步伐，將原定1995年擴大試用30台的計劃又擴大20%。石油行業亦在迎頭趕上，他們利用同樣熱值下油比氣便宜的優勢，積極開拓煤氣管網不通外的市場，最近已決定在千葉（50千瓦，出光興產開發，富士電機製造）和京都（200千瓦，美國IFC公司製造）建設石腦油的實證機組。樣機初試結果綜合效率達70%，壽命5年以上，今NOx3PPm。