燃料电池技术论文篇(1)

作者: 毛宗强(清华大学核能技术设计研究院) 【论文摘要】燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。引言 燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。在科学发达的今天，我们可以将太阳能直接变成热能，也可以将太阳能直接变成电能，但是热和电的大规模直接储存并未解决。太阳能的利用受到天气和地球自转位置的制约。为了解决这个问题，科学家们化费大量的精力去研究太阳能的储存，方法之一是利用太阳能电解水，将得到的氢气和氧气分别储存起来，然后再在需要的时候利用它们经燃料电池（FC）发电，副产品是纯水。因此这是一个完全可再生的无污染的燃料循环。德国于利希（Julich）研究中心已经开始这项试验，并取得了很好的示范效果。 FC以氢气为燃料、空气中的氧气作为氧化剂，通过电化学反应得到电能并生成纯净水。从长远来看，FC将是氢无污染地转化成电能的最佳方案，可以真正做到零排放。 通常，按FC的电解质将其分为：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电他（sOFC）。AFC的工作温度一般为80°C， KOH为电解质）因对CO2很敏感，有被PEMFC取代的趋势。PEMFC又称为固体聚合物燃料电池（SPFC），在50-100°C下工作，其电解质是一种固体有机膜，用铂做催化剂，但在该温度下铂对CO极其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的动力，目前全世界已有PEMFC大公共汽车在示范运行。1998年，德国奔驰、美国福特和加拿大巴拉德（BALLARD）合资组成DBB公司，计划到2005年年产10万台汽车用PEMFC发动机。PAFCI作在200°C左右，磷酸为电解质，PAFC常用铂作催化剂，也有CO中毒问题，已建成的11MWPAFC电站表明，因排放热的温度低，而使其经济性不佳。从目前技术水平看，PAFC适合作小住宅区的现场电站。MCFC使用熔融的碱性碳酸盐作为电解质，镍做催化剂，工作温度在650°C左右，材料腐蚀是MCFC的难点。SOFC电解质和电极都是陶瓷材料，工作温度在1000°C左右。目前已制成100kw电堆，sOFC的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料，电池效率较高。因此，它是未来大规模清洁发电站的优选对象，缺点是1000°C高温下材料较难解决，目前人们也在研究800°C左右的中温SOFC。 我国FC的研究始于1958年，当时人们凭着一股热情推动燃料电池上马，不过很快就堰旗息鼓了。70年代初，在航天计划的带动下，我国FC的研究掀起高潮，武汉大学、中科院大化所、原电子部天津电源研究所等单位研制AFC并取得一定的成果，后因航天计划改变，FC研究也就基本中止。90年代，环境保护、能源短缺的双重压力，以及国际上FC的突破性进展的带动，我国第二次FC研制高潮逐渐形成。1 我国燃料电池第一次研究热潮 武汉大学和中科院长春应化所于60年代中期即开始FC的基础研究，后因文化大革命而中止。1972年，武汉大学与武汉邮电研究院协作研制200W氨一空气FC系统。该系统由电他本体、燃料源和自控设备三部分组成。来自液氨瓶的氨气经裂解成3H2＋N2混合气，冷却后用作负极（氢极）

燃料电池技术论文篇(2)

5．国外燃料电池发展状况 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。 5.1．磷酸型燃料电池(PAFC) 受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。 富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。表 现场用PAFC燃料电池的运行情况容量 台数 累计运行时间 最长累计 最长连续 >1万h >2万h >3万h50kW66 1018411 33655 7098 54 15 4100kW 19 274051 356076926 11 4 3500kW 3 4343716910 42143

燃料电池技术论文篇(3)

关键词:燃料电池 电源 氢能

Research Situation and Application Prospect of Fuel Cell

Wang Weihong

Abstract:With the development of social economy and the absence of energy,the conflict is abrupt between environment and pollution,and all the countries take up with the exploitation of energy.Whereas the fuel cell is a green energy sources,it has become the focus of the new energy sources.The classification,research situation,the virtue and application of the small fuel cell are elaborated,and the development situation and perspective of fuel cell are briefly described.

Keywords:Fuel cell Power sources Hydrogen energy

【中图分类号】G710【文献标识码】B 【文章编号】1009-9646(2009)09-0117-03

能源是经济发展的基础,没有能源工业的发展就没有现代文明。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革,从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机,每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。

随着现代文明的发展,人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需先转变成热能后再进一步转化为其它能量才能被使用,如转变成机械能或电能,受卡诺循环及现代材料的限制,在机端所获得的效率只有33%~35%,一半以上的能量白白地损失掉;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染,故科学家们一直在努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式,这样燃料电池就应运而生啦。

1.小型燃料电池的分类

自1839年英国科学家格罗夫(Grove)用镀制的铂作电极,以氢为燃料、氧为氧化剂研制出燃料电池后,许多科学家开始把目光转向燃料电池的研发技术上,至今已有多种多样的新燃料电池出现。常见的分类方法有:按燃料的处理方式的不同,可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温型(工作温度为100℃及以下)、中温型(工作温度为100℃～300℃)和高温型(工作温度为600℃～1000℃)3种类型;按构成电池的电解质分类,主要有5类,即碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中后3种燃料电池是目前世界各国竞相研究开发的重点。

2.小型燃料电池的发展状况

小型燃料电池作为21世纪的高科技产品,早已受到西方发达国家的重视,企业界也纷纷投入巨资从事燃料电池技术的研究与开发,均取得了重大进展,技术走向成熟,并在一定程度上实现了商业化,使得燃料电池即将逐步取代传统发电机和内燃机而广泛应用于发电和汽车上。MW级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,燃料电池汽车也已经开发出来,家庭用燃料电池也已经进入实用性试验,这充分显示了燃料电池所具有的广阔发展前景。

我国对燃料电池的研制开发起步并不晚,早在1958年,天津电源研究所就最早开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究。20世纪70年代,在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(kW级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验[3]。到20世纪90年代中期,我国政府已认识到燃料电池的重要性,国家科技部与中国科学院将小型燃料电池技术列入九五科技攻关计划,科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术,中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。尤其是质子交换膜燃料电池的研究达到或接近了世界水平。中国科学院开始组织有关研究所联合攻关,准备用几年的时间研制出大功率质子交换膜燃料电池堆在我国,中国科学院大连化学物理所在2002年5月与南孚电池集团、韩国三星电子集团分别联合开发小型燃料电池,研制并组装了10W的PEMFC电堆。中科院长春应用化学所在国内率先开展了DMFC的研究,对DMFC的电催化剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了较为系统的研究。高等院校是我国从事燃料电池基础研究与应用开发的一支重要力量。清华大学核能与新能源及时研究院在PEMFC的膜电极制备、自增先技术等多方面取得了长足的进展[4],已研制成功了输出功率分别为30W与200W的一体化PEMFC电堆[5],以及组装出了小功率DMFC电堆。另外,武汉大学、中山大学、武汉理工大学、石油大学、北京科技大学、北京理工大学也分别在小型PMEFC方面开展了研究。我国民营高科技企业也积极参与了PEMFC的开发,北京世纪富豪原燃料电池有限公司开发出了200W系列低压型氢―空燃连电池样机[6],并出口日本与意大利;另外,上海神力科技有限公司与北京飞驰绿能公司也在开发小型氢―氧燃料电池。除此以外,许多单位也展开了对其他类型燃料电池的研。

在质子交换膜燃料电池方面,以大连化学物理研究所为牵头单位,在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究,取得了很大进展,相继组装了多台0.1kW、1～2kW、5kW、10～30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其质量比功率为100W/kg,体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功,现已开发出200W电动自行车用燃料电池系统。hW级移动动力源和5kW移动通信机站动力源也已开发成功。kW级电池系统作为动力源,已成功地进行了应用试验。由6台5kW燃料电池组构成的30kW燃料电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46kW,目前该车最高时速达60.6km/h。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。

在熔融碳酸盐燃料电池方面,我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料,用冷滚压法和带铸法制备出大面积(大于0.2m2)MCFC用的电池隔膜,预测隔膜寿命超过3104h。在进行材料部件研究的基础上,成功组装和运行了kW级电池组,其性能已达到20世纪80年代初的国际水平。在固体氧化物燃料电池技术方面,已经制备出厚度为5～10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜,研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为kW级、10kW级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。

总的来说,我国小型燃料电池的研究开发仍处于科研阶段,与国外相比,我国的小型燃料电池研究水平还较低,要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。

3.小型燃料电池的优点

3.1 发电效率高。

燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能,它不像常规电厂那样通过锅炉、汽轮机、发电机三级能量转换才能得到电能,因此既没有中间环节的转换损失,也不受热力学卡诺循环理论的限制,理论上它的发电效率可达85%～90%。但实际上,由于工作时各种极化的限制,目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%～60%,若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上[7]。

3.2 环境污染小。

当燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,由于有高的能量转换效率,其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。除此以外,由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫,而且按电化学原理发电,没有高温的燃烧过程,所以几乎不排放硫化物和氮氧化物,减轻了对大气的污染。

3.3 噪声低。

由于燃料电池按电化学反应原理工作,运动部件很少。因此,工作时噪声很低。

3.4 负荷调节灵活。

由于燃料电池发电装置是模块结构,容量可大可小,布置可集中可分散,且安装简单,维修方便。另外,当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应,故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池不仅能向广大民用用户提供独立热电联供系统,也能以分散的形式向城市公用事业用户供电,或在用电高峰时作为调节的储能电池使用。

3.5 燃料来源广。

燃料电池可应用甲醇、乙醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等多种燃料。

4.小型燃料电池的应用范围

由于燃料电池是目前唯一同时兼备无污染、高效率、噪声低[8]、适用广且具有连续工作能力的动力装置,特别是在现在能源紧缺、大气污染严重、提倡节约能源和保护环境的形势下,以天然气等富氢气体为燃料的燃料电池正在得到广泛的应用。其应用可能有如下几个方面:

4.1 发电。

小型燃料电池由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点,多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。目前,美国欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸型燃料电池发电厂数以百计,各国工业界人士普遍对燃料电池在发电站的应用前景看好。2001年全球燃料电池的发电能力为 75 MW。未来 10年中,全球燃料电池的发电能力将会上升到 1.5 10 MW。美国预计到 2017年美国 30%的电能将由燃料电池提供。

4.2 汽车动力。

目前,各国的汽车用量均在不断增加,汽车排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一,特别是发展中国家,由于环境治理的力度不够,这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现,解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题,使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点,适合做汽车动力,是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。从上世纪 80年代起,北美、西欧和日本就开始研制,1993年,加拿大巴拉德公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车。九五期间中国科学院大连风汽车工程研究院合作,开发了我国第一辆完全具有自主知识产权的燃料电池电动公交车[9]。

4.3 家用能源。

由于上述燃料电池的优点和特征,燃料电池不但在航天、国防、电力和交通等部门得到广泛的应用,而且在民用方面也具有十分广阔的推广和应用前景。它作为家庭使用的分散电源的同时还可提供家庭用热水和供暖,这样可将天然气的能量利用率提高到 70%～90%。最近,日本东京燃气公司正式启动了供应电力、热水和供暖的小容量家庭用燃料电池能源综合利用系统发展计划。它是利用制氢装置把天然气改质为氢气,由固体高分子燃料电池用氢发电,同时供应生活用热水和供暖。三洋电机公交换膜小型燃料电池,其输出功率为1kW,投放市场后颇受用户欢迎。家用燃料电池是未来家庭能源的发展方向,相信通过各国科学家的努力,在不久的将来,高效清洁的家庭用燃料电池将走进普通百姓的家庭。

4.4 在其他方面的应用。

碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外线辐射,而且噪声小,可用做潜艇动力。由于它们可在常温下启动工作,且能量密度高,还是理想的航天器工作电源。此外,质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。还可用于移动通讯 数码相机、手提电脑等领域。

5.小型燃料电池的发展前景

作为一种清洁高效的能源,燃料电池具有巨大的发展潜力。从20世纪90年代中期开始,世界各国的公司和科研机构不断努力试图发展小功率燃料电池,期望将其于便携式电源,手提电脑,数码相机和移动电话电源等小型电子设备电源[10]。随着更多燃料电池商业化的到来,燃料电池市场必将大幅度上升。据报道2004年美国的燃料电池销售额已达到24 亿美元。

我国也已经把“燃料电池发展技术”列为《科技发展 “十五”计划和2015年远景规划》中,为此国家科技部和中国科学院共同投入了大量的资金进行研究,已经取得了一定的成绩。如2001年全国工博会上氢燃料电池展示车的出现,表明我国已经掌握了燃料电池的先进技术。

6.结语

我国是一个农业大国,具有丰富的农作物秸秆,因而可以秸秆产生沼气,也是一个煤炭资源比较丰富的国家,可以通过煤脱硫、气化等技术产生大量煤气,以及利用太阳光照分解水的技术日益成熟,相信燃料电池的研发与使用为解决环境污染、温室效应及能源危机等问题带来了灿烂阳光与美好向往。

参考文献

[1] 衣宝廉.燃料电池―高效环境有好的发电方式,北京:化学工业出版社,2001

[2] 衣宝廉.燃料电池-原理,技术,应用[M].北京,化学工业出版社,2003

[3] 高春梅、李清.以燃气为燃料的燃料电池及其应用的探讨[J].城市燃气,2002,(10):6~11

[4] 王诚、毛宗强、徐景明等.中国科学G辑:物理学天文学,2003,46(5):501~508

[5] 王诚、毛宗强、徐景明等.CN,X.2004,219~220

[6] 钟家轮,杨庆苏.CN,X.1999

[7] 张涛.天然气燃料电池的原理与应用[J].煤气与热力,2002,22(5):417~419

[8] 陈克,孙媛媛,徐延辉.燃料电池来源的探讨[J].节能与环保,2003,(10):32~34

燃料电池技术论文篇(4)

从目前国内外的发展情况来看，我们已经达成了一个关于燃料电池汽车的战略共识，或者是对燃料电池技术的一个阶段性判断：即现在燃料电池技术正处于一个从纯粹的研发向商业化的转折期，从研究的角度还任重道远，这是一条没有穷尽的路。但是目前的关键是局部的商业化突破，而不是全方位商业化突破，全方位商业化突破肯定还是非常遥远的，但是局部的商业化突破应该可以开始了。

我们经历了长时间的摸索，不断失败、不断改进，从2008年开始，燃料电池技术出现了重大突破，虽然中国在燃料电池发展历程中一直是疑惑疑惑再疑惑，但是我想现在应该逐步清醒，然后可以开始行动了。

局部商业化突破在什么地方出现？从技术上看，总会拿燃料电池技术跟纯电动技术相比，这是一个一直被讨论的话题，尤其是现在以锂离子电池为主要动力源的纯电动汽车发展得非常之好，已经取得了一定的成功，但是5年前的纯电动汽车的状况可能跟今天燃料电池的状况大体相当，当时业内外一片怀疑之声，也没有多少人相信锂离子电池汽车会有今天的发展，我们现在首先要肯定锂离子电池是一个目前商业化的新能源汽车零排放的主流技术，这是不用怀疑的事实。燃料电池汽车跟锂离子电池车型如果在家用轿车领域相比，目前要进行商业化进程显然还不太现实，尤其是中国纯电动汽车的技术与国外的差距，相比燃料电池车型要小一些，这也是一个不容忽视的事实。

如果轿车上装100多千瓦的燃料电池，只是用很少的电池，比如丰田的方案，我们现在无论从成本还是其他方面，在轿车、乘用车领域，我估计在近期还是很难突破的。从技术角度来看，燃料电池车型的出路，尤其在中国的出路，可能是要把锂电池的技术跟其他的应用进行组合，这种组合应当是减少燃料电池的功率――不能用那么大功率，因为成本、Pt含量都与功率直接相关。车用的功率应该由锂电池来承担，这可能是将车、锂电池、燃料电池进行最佳组合的一个方案。

至于承载的储氢瓶，成本要急剧下降，当然我们现在新的技术要尽快进行技术评估，来确认我们的技术突破，这对车载储氢瓶的发展而言将会是一个重大突破。

我们在技术上不得不承认国内氢能燃料电池的技术跟国外的差距在2008年之后应该说是在拉大，可以说国外的氢能燃料技术，以丰田为代表的产品，其技术问题已经基本解决，它可以商业化了，但是我们国内的氢燃料电池技术目前离实用化还有距离，仅就耐久性而言，国外的轿车已经做到5000小时，大客车也做到了15000小时以上，但是我们现在国内的还做不到，所以相比而言，我们锂离子电池电动车跟国外差距相对会小一点，这是我们必须承认的技术差距。

商业化突破口

在市场方面，在乘用车方面我们现在还很难在中国进行燃料电池轿车商业化，近期主要还是示范，不太可能进行商业化。现在中国的优势或者全球可能率先突破商业化的是商用车或者大客车，而大客车是中国新能源汽车的优势，中国新能源客车在世界上遥遥领先，今年可能会做到5万辆，我们历史上已经积累了5万辆，也就是说保有量会超过10万辆，全球的保有量大概也不到20万辆，所以在这个方面中国有绝对的优势，中国新能源客车是全球燃料电池技术的最佳应用场合，也是中国新能源自主技术最有优势的地方，把这两者结合起来，我想我们就可以实现燃料电池汽车局部的商业化突破。

如果从长远看，我个人估计，对以汽油机为代表的动力源，锂离子电池等也许是近期或者更长远的一个主流替代方案，但是对柴油机的替代方案，可能燃料电池更具优势。

四个行动方向

基于这样的判断我们现在该做什么？我们现在要行动，不是疑惑，我想一些业内人士可能不疑惑，但全社会还是疑惑的，在10年前我们曾经宣传燃料电池、氢能经济，遭到了大规模的批判，但经过国外的技术突破，现在对燃料电池的认识应该说全社会都有新的看法，为我们开发燃料电池的商业化奠定了很好的社会环境，所以业内人士应该都是行动者，所以我们要行动起来。

第一就是要协同创新，这一领域产业链上的众多单位就是我们协同的基础。我们的纯电动汽车产业是怎么推起来的？就是官产学研的大协同，当然“官”的作用非常重要，补贴就是非常重要的一个方面。所以我们纯电动汽车很快就发展起来了，这是我们的经验，我们下面应该利用这个优势往前推。

第二就是技术集成。丰田可以一次性向全球免费开放4560项专利，这么一个企业成为燃料电池相关技术的集大成者，中国目前不具备这样的企业，怎么办？需要大家一起努力，同时我们也希望中国有类似的企业。比如郑州宇通客车是现在新能源客车的第一大生产商，年产过万辆甚至2万辆，以前我们是根本不敢想象的。正是因为有了这样的突破，他们才有自信，再来进行氢燃料电池的突破，他们才敢于提出庞大的目标。所以我们认为，很多事情我们过去认为不可能，就像10年前我们认为氢能燃料电池有很多不可能，但现在已经被国外的技术突破，变成可能了，所以今天也许我们再提一些大家觉得不可能的事，5年之后也可能会变成现实。所以我们希望出现一些这样的企业，把相关的技术进行集成。

第三是国际合作。我们现在跟国外有明显差距，如果现在全用中国的技术搞商业化，估计是有困难的，这也是为什么我们的一些地方政府，如佛山和如皋都选择了国外的技术。地方政府真正推进燃料电池商业化的时候是很实在的，如果不能用，他是绝对不能买的，所以不能指望我们的东西没有实用价值却想让地方政府买单，这是不可能的。基于这样的实际情况，我们必须汇聚全球资源，我们现在已经具备汇聚全球资源的得天独厚的条件。据我所知，现在很多国外大公司已经突破燃料电池技术，而且成本下降速度很快，但是由于氢能基础设施的滞后，他们的技术暂时没法大规模推广，他们也在寻求在商用车领域、在非轿车领域的突破，这给我们带来了极大的机会。所以我们要利用这个机会来进行全方位的国际合作，站在巨人的肩膀上，把我们自己的技术发展起来。

不是说我们永远用国外的，但是我们在初期如果完全排斥国外的东西，我们的商业化也是很难推进的，而没有初级商业化的推进，我们的技术研发也会变成无源之水、无本之木，最后也是搞不下去的，很多资深专家已经干了一二十年了，我们都盼望着有一个商业化的突破，来带动技术进一步研发，因为技术的潜力还很大，我们如果能整合全球资源，也许能够开发出下一代技术，这是完全可能的。

燃料电池技术论文篇(5)

关键词：燃料电池技术路线

燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％一70％，被誉为二十一世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年一2010年200KW一将全面进入商业此。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度?要不要发展?怎样发展?这些问题亟待解决。

l燃料电池发电的技术特点和应用形式

1．1技术特点

燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：

(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50一60％，组成的联合循环发电系统在(10—50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。

(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。

(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。

(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。

(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。

(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20一120)。

(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。

(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。

(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。

(10)自动化程度高，可实现无人操作。

总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。

2．1燃料电池的应用形式

(1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。

(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2—20)MW。

(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100—300MW)。

(4)燃料电池还可用于100W—100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。

2为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术?

2．1采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一

以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60—75(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。

2．2燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量

燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到(O．139一0．236)kg／MW·h以下，远低于天然气联合循环的NOx排放量(1kg／MW·h一3kg/MW．h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，C02的排放量可减少40％一60．在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。

2.3采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性

燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW—lOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。

对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。

对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。

2．4发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要

美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。

2．5发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要

燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。

国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对国家电力公司进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。

2．6燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景

未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环(IGCC)结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC效率更高，污染更小。

燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。

2．7与国外有较大的差距

在燃料电池发电技术方面，我国与国际先进水平有较大的差距。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别示范成功了2MW和100KW的燃料电池发电机组，而我国在这方面才刚刚起步，2000年才可望研制出2KW左右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国外的差距更大。倘若我们现在不开始研究开发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池发电的产业化。若不能形成燃料电池的产业化并在电力系统广泛应用，那么，也谈不上提高发电效率和降低污染物的排放。只有从现在开始，在国外的基础上，高起点研究，经过10—20年的努力，有可能在国电公司形成燃料电池的产业和广泛的商业应用。

2．8在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求

分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。

倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。

3国外燃料电池发展计划及商业化的预测

研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。

3．1美国燃料电池发电技术研究开发状况

(1)美国燃料电池发电技术的研究开发计划

1997年，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”，燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000／KW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kwPAFC发电机组投入运行。

美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。

美国DOE的燃料电池发展计划如下：

PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一45(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。

已完成250KW和2MWMCFC的现场示范，预计2002年进行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化；2010年，燃用天然气的250KW一20MWMCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化;2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上。

目前，己完成25kw和100kwSOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右，进行MW级SOFC示范；2003年左右，100kw一1MWSOFC进行商业化：2010年，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010完成。

美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。PlugPower公司与GE合作，计划2001年使10kwPEFC进入商业化，价格达到S750—1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw。

(2)市场预测

美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在2005年一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$2000一$3000／kw，若年生产能力达到100MW／a，商业化的价格则可达到$l000—$1500/Kw。若能达到(2000—4000)MW／a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300／kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900—$l100／kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。

3．2日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测

(1)发展进程

日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。

日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kwMCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标是2000年一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。

日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400WSOFC电池堆，1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。“新阳光计划”中预计2000年一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1—2)kw。

(2)政府采取的措施

日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。

在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。

(3)市场预测

1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW；2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是MCFC和SOFC高温型燃料电池；2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化；发电效率达到50％一60％。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW；2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为735MW，工业用热电联产型为1465MW。

3．3其它国家和地区的发展进程

目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kwMCFC电厂，1996年投运。德国正在开发250kwMCFC。德国西门子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。

加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kwPEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kwSOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kwPAFC进行示范运行。

3．4国外发展燃料电池发电技术的经验总结

回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：

美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；二是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。

日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。

加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10—20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。

燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了—个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。

4各种燃料电池发电技术综合比较

(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。

(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％一45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)一2(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。

(3)MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。

(4)SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。

(5)PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45％一50(LHV))，对CO的容许值较高(＜10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。

5结论

选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：

(1)优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。

(2)MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。

(3)随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。

(4)AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟，与MCFC、SOFC和PEFC比较，已相对落后。因此，AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。

燃料电池技术论文篇(6)

【关键词】 燃料电池汽车 纯电动汽车 混合动力汽车 发展现状

1 引言

近两百年来，人类经济与文明经历了高速发展，进入了前所未有的发展水平，汽车成为人类生产与生活必不可少的交通工具，在给人类生产与生活带来便利的同时，也给人类带来了严峻的能源与环保问题。近年来，能源危机和环境污染已经成为危及人类生存与发展的重要问题，被全球各国广为关注。在能源与环境的双重压力下，要解决能源危机问题，在解决环境污染问题，就必须将汽车节能环保作为核心之一，一方面大力提高传统汽车的节油能力，一方面大力推进新能源汽车的研发应用力度，而发展新能源汽车更是汽车社会节能与环保的根本途径之一。我国新能源汽车已经形成“三纵三横”的研发格局。“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的总称，是当前汽车节能与环保技术研究的核心内容之一，经过数年的发展取得了不少成绩，但也存在着很多不足之处。

2 燃料电池汽车发展现状与发展

2.1 燃料电池汽车发展现状

燃料电池汽车是电动汽车的一种，其核心部件为燃料电池，不会产生有害产物，且能量转换效率比内燃机高2～3倍，节能与环保效果极为理想，被世界各国和主要汽车集团所重视，投入了大量资金进行技术研发和市场培育。如德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等国家在燃料电池汽车方面都投入了大量的人力、物力和财力，仅日本即先后投入了上千亿日元用于燃料电池汽车的研发，美国财政仅2011年即安排了5000万美元用于燃料电池和氢能技术的研发，福特、通用、丰田等六个世界主要汽车公司在于2009年签署的备忘录中，计划于2015年大力推广燃料电池汽车，形成数十万辆燃料电池汽车保有量。目前，燃料电池汽车在可靠性、适应性等方面均取得了较大的突破。

2.2 燃料电池汽车的发展方向

燃料电池汽车实际上需要机械、化工、电子、新材料等多方面学科支持的复杂系统，涉及了多个基础学科、前沿学科、新技术学科的技术整合，由于其结构复杂、技术要求高、整合需要强，因此当前还有很多不足。就目前来讲，未来燃料电池汽车的发展方向，将主要集中于整车平台结构、关键零部件开发、使用寿命与可靠性、基础设备研发几个方面。包括如智能控制技术、安全碰撞性能、底盘可靠性、燃料电池发动机寿命等等。目前，虽然燃料电池汽车整车成本和技术水平都阻碍了应用推广，但在不久的将来，这些问题都能得到较好的解决。

3 纯电动汽车发展现状与发展

3.1 纯电动汽车发展现状

纯电动汽车是以蓄电池储存电能，向电机提供电能驱动电机运转，最终驱动汽车运行。实际电纯电动汽车并不是近几年出现的新兴产品，其发展历史可以追溯至一百余年前，不过由于技术原因不成熟一直未能实现产业化。近年来，随着新能源汽车的推进，纯电动汽车技术得到了较大的发展，并得到了较为广泛的应用。如英国目前即拥有数十万辆纯电动汽车被投入使用，法国在巴黎、拉罗舍尔甚至已经建立起了完善的纯电动汽车充电站网基础设施。相对于欧美国家来说，我国纯电动汽车起步较晚，但自八五开始，纯电动汽车的研发即已经提高到了战略高度，纯电动汽车已经通过相关认证试验，并投入了生产和市场推广之中，形成产业规模。

3.2 纯电动汽车发展方向

在新能源汽车发展中，纯电动汽车发展水平相对较高，不过当前在电池技术、电机驱动和控制技术、整车技术、能量管理技术四大核心技术方面还有所不足，影响了纯电动汽车的实际应用效能。在未来，纯电动汽车将会在这四大核心技术方面进一步加大研发力度，提高纯电动汽车的实际应用能力，尤其是电池安全性和经济性方面，是电动汽车与传统燃油汽车竞争的核心，急需高比能量、高功率、高使用寿命的高效电池的支持。驱动电机也需要更高的调速范围和更高的转速，例如开关磁阻电动机的研发，智能化和数字化电机驱动系统的研发等。

4 混合动力电动汽车发展现状与发展

4.1 混合动力电动汽车发展现状

混合动力电动汽车采用油、电发动机互补工作模式，相对于同等条件下的汽油车和柴油车来说，尾气排放更少，具有环保、污染小的优点。目前混合动力汽车主要有串联式混合动力汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式混合动力汽车、外接充电式混合动力汽车四大类。据相关报道，美国计划于2015年普及一百万辆插电式混合动力电动汽车，日本则计划于2020年普及包括混合动电汽车在内的“下一代汽车”1350万辆，德国政府也提出了普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车的计划，混合动力汽车成为新能源汽车时代的一个重要切入点。

4.2 混合动力电动汽车发展方向

纯电动汽车是节能与新能源汽车发展的长期方向，尤其在纯电动汽车技术相关难点未能彻底解决之前，混合动力汽车是新能源汽车发展的重点，尤其在石油危机日益紧张，油价不断攀升的情况下，混合动力汽车将是解决燃眉之急的重要措施。据估计，至2020年，全球汽车市场混合动力汽车所占份额将增至20%～30%，电动汽车的市场份额也将达到5%，不过我国汽车市场混合动力汽车所占份额将会略低。

5 结语

在能源危机和环境污染问题日益严峻的背景下，大力发展新能源汽车成为全球各国共同关注的问题，而燃料电池汽车、纯电动汽车、混合动力汽车则是解决这一问题的重要切入点。虽然目前燃料电池汽车、纯电动汽车、混合动力汽车均取得了较大的发展，并且在一定范围内进行了推广和应用，但有不少技术都还不够完善，尤其是燃料电池汽车和纯电动汽车。在未来几年时间里，随着相关技术的发展，燃料电池汽车、纯电动汽车、混合动力汽车将会逐渐取代传统能源汽车，成为未来汽车的主流。

参考文献：

燃料电池技术论文篇(7)

摘要：电动汽车是最具发展潜力的新能源汽车，以电力为驱动，有着噪声低、低排放、效率高等特点，应用前景广阔。本文围绕新能源电动汽车对其电池技术进行了讨论。

关键词：电动汽车；比能量；可靠性；锂离子电池

0引言

由于传统内燃机汽车所造成的环境和能源问题愈加突出，汽车行业发展受阻。目前我国科研机构和汽车制造企业都加大了对新能源电动汽车的研发力度，以期解决现存电动汽车电池技术难题。

1新能源电动车电池技术

根据能源供给类型的不同，电动汽车可分为纯电动车、混合电动车和燃料电池电动车，且这三种电动车电池技术均面临着技术难题，较难量产推广。电池技术是影响新能源电动车推广和广泛应用的重要因素，所以迫切需要解决电池的容量和能源补充问题。

2新能源电动车电池技术对比

（1）铅酸蓄电池。铅酸蓄电池是由浸入稀硫酸电解液的正极板（PbO2）和负极板(Pb)组成。充放电反应方程式：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。该种电池的性能指标中的比能量和比功率均较低，电池的循环使用寿命也较短，充电所需时间较长，这些特点致使其在电动车领域的推广受到很大制约。同时，该种电池技术较为成熟，可以大批量生产，其造价也低，所以这种电池也具有一定的应用空间，目前是被用于行驶里程短，重点要求较低的场合，例如目前已投入使用的电动观光车、电动叉车、短途电动公交车等。

（2）镍氢电池（NiMH）。由镉镍电池发展而来的镍氢电池是由电解液(KOH)、碱式氧化镍(NiOOH)组成的正极和吸氢合金(MH)组成的负极构成。充放电反应方程：NiOOH+MH⇋M+Ni(OH)2。镍氢电池充电时间短、容量大、放电深度大，更有着耐过充和过度放电等优点，但是由于金属镍价格较昂贵对其在在电动车领域的推广和应用。镍氢电池与锂离子电池相比，能量密度较弱但可靠性高、成本低。在不久的将来镍氢电池会成为混合动力电动车的主流电池。

（3）燃料电池（FuelCell，FC）。燃料电池由正极、负极（不包含活性物质）和电解质隔膜组成。目前研究以氢燃料电池为主，充放电反应方程：2H2+O22H2O。作为被汽车制造商重点投资的燃料电池，仅须补充燃料与空气即可，并不需要充电储能的过程。氢燃料电池不仅供电效率高、功率密度高，也有着无污染和可循环利用的优点。但是其造价太高、启动时间过长，制造和存储代价高且氢燃料电池加氢站的建设有着很大的难度。就目前来说，燃料电池电动车只是处于研发阶段，尚存在较多技术难题，在短期内很难进行大规模的推广。基于燃料电池绿色环保的作用，燃料电池未来肯定会成为解决能源危机的动力电池，有着较为广泛的前景。

（4）锂离子电池。锂离子电池主要包括正极（锂离子金属氧化物LiMO2构成）、负极（焦炭或石墨C构成）和有机溶液（溶有锂盐）。充放电反应方程：LiMO2+nC⇋Li1-xMO2+LixCn。锂离子电池的性能要优于前两种电池性能，有着体积小、寿命长和自放率低的优点，锂离子电池并不存在传统蓄电池出现的“记忆效应”，该电池无污染，所以该种电池一直被看好，是最具有实用价值的电动车电池。但锂离子电池在快速放电性能、价格、过放电保护方面有着不足之处。而大容量、高功率的锂离子电池在安全方面有着一定能够隐患，使其大规模推广受到限制，现在主要被用于容量较小、功率较低的电动汽车的应用中。目前各国汽车生产商都在重点研究锂离子电池技术，主要围绕如何降低电池成本，实现快速便捷放电，确保大容量的电池安全性为研究重点。

3锂离子电池技术

（1）锂离子电池材料技术。该种电池正负极材料体系很丰富。用于动力电池的NCM三元层状正极材料，其中LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的应用比较成熟，而拥有较高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2已被批量应用。近几年铝掺杂的锂镍钴氧电池将被用于驱动电动汽车，与锰酸锂混合也可用于制造车用动力电池。磷酸铁锂电池生产已满足客车和专用车辆的应用。用于负极的材料石墨、硬/软碳和合金负极材料，其中石墨应用最为广泛，无定形硬碳或软碳与石墨混合已经逐渐被应用。钛酸锂负极材料倍率性和循环性佳，但比能量低、成本高，适用于大电流充电。将纳米硅或硅氧化物作为负极材料已有小批量应用，但还需研究出解决因锂嵌入硅后造成的体积膨胀导致使电池循环寿命减少问题的方法。锂离子电池电解液中六氟磷酸锂及其它新型锂盐、溶剂提纯、电解液配制、功能添加剂技术不断进步，而如何提高电池工作电压，如何改善电池高低温性能是现在研究方向，目前安全型离子液体电解液以及固体电解质均在研制中。聚烯烃微孔膜是现如今锂离子电池隔膜销售中的主要产品，而耐高温、高电压隔膜将会是未来的主要发展方向。

（2）单体电池技术。单体电池形状主要有圆柱、方形金属壳（铝/钢）和方形软包散装，而车用电池组容量大、电池数量多、管理系统复杂。目前圆柱电池技术并不能满足车用电池需求；方形电池电芯制作方式较多（正极包膜叠片、卷绕+叠片、叠片+卷绕等），制作出的电池容量大，适用于软极片电池（磷酸铁锂和三元材料的电池）。叠片式电池在各材料体系中均适用，可靠性高，与卷饶电池相比寿命较长，例如日产Leaf纯电动汽车、Volt插电式混合动力汽车电池均采用叠片式。软包电池电芯的制作则与方形金属壳电池类似。总体来看，我国单体电池生产正在由半自动向着全自动大规模制造迈进。

（3）电池系统技术。我国动力电池系统产品存在功能简单、数据采集可靠性较弱，SOE估算精度、热管理、均衡、安全管理等有待提升，而核心元器件则差距大。电池系统应从结构设计优化与材料选型两个方面入手结构抗振、抗冲击以及轻量化集成优化设计进行研究，并从故障诊断预测、热安全监测预警和防控三个方面进行关键技术的开展。

4结语

综上所述，对于新能源电动汽车来说镍氢电池性能要优于铅酸蓄电池，燃料电池和锂离子电池比与镍氢电池相比性能性能更佳，但都有着各自难以突破的技术难题。基于锂离子电池各项性能和目前技术研究程度，不久的将来锂离子电池会被广泛应用于纯电动汽车。

参考文献：

[1]文晓明.电动汽车电池技术研究与展望[J].汽车零部件,2015.