燃料电池-明天的新能源.doc

燃料电池明天的新能源燃料电池明天的新能源摘要：人们对能源的利用将步入一个新时代。燃料电池被认为是21世纪首选的洁净、高效发电技术。在未来30年内，燃料电池将作为分散电站，主要用于家庭、办公大楼、医院、商业区、社区等供电，规模在千瓦至几十兆瓦范围；并向大规模电站发展，作为集中发电取代目前的火力发电，以及向燃料电池与蒸气轮机技术集成方向发展，形成联合循环发电技术。从来没有哪一个象它那样受到世人如此的青睐。燃料电池被称之为继火电、水电和核电之后的第四种电力二十一世纪电力的希望之星！本文从电池起源，到燃料电池的诞生、发展、应用和前景展望等多方面，图文并茂地展现出燃料电池的发展现状与美好未来。作为一种能源，从来没有哪一个象它那样受到如此青睐：近十年来，国外政府和企业对它的投资额超过100亿美元；美国将它列为27项涉及国家安全技术之一；日本政府认为它是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将它发展成国家的支柱产业。它就是燃料电池，被称之为继火电、水电和核电之后的第四种电力，二十一世纪电力的希望之星！美国俄克拉荷马州立法者本格曾说：“我认为，就象怀特兄弟认为他们的飞机能飞一样，燃料电池不是白日梦，是我们将要看到的事实”。1、燃料电池移动的清洁能源电池是人类一个伟大的发明。它可以随时随地为您带来光明和动力。从最初的手电筒、收录机、汽车到现在的电脑、手机、随身听、BP机、照相机、计算器， 电池在我们生活中的使用量正在迅速增加，已深入到我们生活和工作的每一个角落。1.1 什么是电池一种将其它形式的能量直接转换为直流电的装置。干电池和手机电池是目前我们常见的形式。电池按转换能量方式分两大类：一类是物理电池，如太阳能电池；另一类是化学电池，即把化学能转变为电能的装置。化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）。其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、扣式锌银电池、锌空气电池等。二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂电池和铅酸蓄电池等。任何一种电池由四个基本部件组成，这四个主要部件是正负两个电极、电解质、隔膜和外壳。1.2 电池的历史从伏特电池的出现到今天，电池已走过了200多年的艰辛路程，作为提供直流电的能源，它已广泛用于日常生活、科学实验和航天中。（1） 古墓电池1936年，一群修建铁路的民工在伊拉克首都巴格达城近郊格加特拉布阿村铺设路基时，偶然发掘出一座用巨大石板砌成的古代坟墓，墓内有大量距今二千一百多年前的石器物，这些古物都是公元前247年至公元前226年时期的。参加这次考古发掘工作的当时担任伊拉克博物馆长的考古学家瓦利哈拉姆卡维尼格记述了石棺内的物品：“陶制器皿料似花瓶，高15厘米，白色中杂一点淡黄色，边沿已破碎，上端为口状，瓶里装满了沥青。沥青之中有一铜管，直径2.6厘米，高9厘米，铜管顶端有一层沥青，并有一根锈迹斑斑的铁棒，铁棒高出沥青绝缘体1厘米，由一层灰色偏黄的物质覆盖着，看上去好像是一组化学仪器。” 经过研究和鉴定，这种古器物被称为“巴格达古化学电池”。有些科学家仿照它的材料和方法，经通电试验的结果表明：这些古电池（仿制品）真的可以通电。关于“巴格达古化学电池”问题，直到今天国际学术界仍然争论不休、意见纷纭、无法对这个奇迹作出结论。（2） 世界上第一个真正的电池 意大利科学家伏特（Volta）在1800年发明的“伏特电池”是世界上第一个真正的电池。在伏特的那个时代，人们只停留在静电现象的研究。伏特在意大利物理学家伽伐尼发现的“动物电”现象的启发下，于1792年开始研究“动物电”及相关效应。他通过大量实验，否定了“动物电”是动物固有的说法，认为产生于两类导体所组成的电路中。伏特把若干种导体联接起来进行了长期实验，终于研制成第一个长时间可持续的电流源伏特电堆，并在此基础上发明了伏特电池，这个电池是由一些金属（铜、银、锌）片和湿的硬纸片组成。伏特电池是19世纪初具有划时代意义的伟大发明。人们为了纪念他，将电压单位命名为“伏特”。这一发明在此后的相当长的时间内成为人们获得稳定的持续电流的唯一手段。如今，生活中常用的1号或5号干电池就是由伏特电池发展演变而来的。（3） 蓄电池蓄电池是通过充电将电能转变为化学能储存起来，使用时再将化学能转变为电能释放出来的一种化学电池。其转变的过程是可逆的。1859年法国人普兰特发明了世界上第一个可充电电池铅蓄电池，1899年琼格纳获得了碱性镍镉电池专利，1901年爱迪生获得了镍铁蓄电池专利。这三种电池迄今为止仍是蓄电池的主要产品。20世纪80年代成功研制了镍氢蓄电池，它的循环使用寿命可长达10年，现已逐步在航天领域取代镍镉电池。现在的笔记本电池也有部分使用了它。（4） 其它电池锌锰干电池：1868年法国勒兰社（Leclanche）发明。 锌银电池：1943年法安德烈（Andre）发明。 锌汞电池：1947年美茹宾（Ruben）研制成功。 锂电池：20世纪70年代研制成功的一种新型电池，既可做成原电池，也可制成蓄电池，有极优异的性能，如比能量高，温度使用范围宽，放电电压平坦，体积小，无电解液渗漏，并且电压随放电时间缓慢下降，可预示电池使用寿命。它现已应用于高性能的手机和笔记本电脑中。核电池：把核能直接转换成电能的装置。该种电池可产生高电压，但电流很小。可用于人造卫星及探测飞船中，可长期使用。太阳电池：一种利用太阳光与材料相互作用直接产生电能、对环境无污染的可再生能源。其发电原理是基于光伏效应，有太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势。1.3 什么是燃料电池燃料电池是化学电池的一种，顾名思义，它与“燃料”和“电池”这两个词有关。煤、木材、石油、氢气等燃料在空气（氧气）中燃烧时，最直接的现象就是发光发热，产生火。火，曾经被人们赞美过，也被人诅咒过。当它熊熊地燃烧，为人们做出香喷喷的饭菜，为社会炼出合格钢材时，人们就情不自禁地为其奉献精神竖起了大拇指；而当它变了脸，无情地吞噬着人们的财产和宝贵生命时，当它疯狂地摧毁雄伟的高楼大厦时，人们便要诅咒它的冷酷、残忍。电池是在一种或多种化学溶液组成的电解质中，插入两根称为电极的金属棒。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它的结构与普通电池相同，也有阴极、阳极，通过电解质将两电极隔开，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行“燃烧”，当然，产生的现象不是火，而是通过化学反应变为电能输出。我们知道，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成，用电解法可使水分子中的氢原子和氧原子“分家”，得到氢气和氧气。燃料电池的工作过程是与电解水正好相反的电化学反应过程：燃料中的氢与氧化剂中析氧分别在电解质两边的正负极上发生反应生成水，同时产生电流。如图，工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+ 和电子e。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而，氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。现在推出的燃料电池，按所用电解质材料来分共有五种类型：碱溶液型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型和质子交换膜型燃料电池。1.4 燃料电池的历史1839年英国的格鲁夫（Grove）发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年，英国蒙得（Mond）等人把石棉网状多孔性支持物浸入稀硫酸，以粉末铂黑作催化剂，铂或金作载流体，开发了电流密度为3.6 mAcm2，电压为0.73V的燃料电池。现在看来，当年他们的电池从结构上已经接近现代的燃料电池。并首先采用了燃料电池这一名称。1921年，德国人伊芭（EBaur）以碳酸钾和碳酸钠的混合熔融盐为电解液，氧化铁为阴极，空气作为阴极活性物质，铁为阳极，氢为阳极活性物质构成燃料电池。在800阴极电流密度为4.1mAcm2时，电压为0.765V，这个电池成为今日熔融碳酸盐燃料电池的基础。1932年，英国的班考（Bacon）用碱作电解液构成燃料电池，他用镍代替昂贵的铂作电极材料, 并通过提高温度和增大体系压力来提高镍的催化活性，同时他用多孔气体扩散电极来得到气-液-固三相接触的较大的表面积。1952年获得了班考电池专利，该专利转让美国后，经大幅度改进才用于阿波罗登月舱的电源，实现了人类登上月球的梦想，由于新闻媒介的报道，燃料电池也因此而举成名。20世纪50年代有了实质性的进展，班考用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代初，美国通用电气公司研制出质子交换膜燃料电池，并用于双子星座飞船飞行，作为船上的主电源。同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。80年代，使用熔融盐或固体电解质的高温燃料电池越来越被人们所重视，尤其是美国、日本等国都在进行类似研究，以1988年1月1991年7月在日本申请的专利就有27l件, 涉及到的企业有40多家。 近二十年来燃料电池得到很大的发展，各类高性能，高稳定性的燃料电池已被广泛地应用于字航、船舶、电气、通讯及运输等方面。特别是近年由于全球对于提高能源利用率及减少环境污染的需要，燃料电池再次受到广泛重视。1.5 燃料电池的特点（1）具有发电站的功能作为发电站，应能24小时不间断提供大功率电力。火力发电站机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。燃料电池可以提供持续的电力。普通的锰干电池的化学反应物是事先存放在电池内部的，电池向外供电时，反应物质被消耗却得不到补充，反应物质一旦消耗空，电池就不能再继续供电，也就寿终正寝了；对于蓄电池而言，则必须充入反向电流使其反应物质得到恢复，才能继续工作。燃料电池则不同，因为燃料是从外部输入的，只要它们得到了不断的供给，燃料电池就可以源源不断地向外供电。燃料电池可以提供高功率的电力。燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。一个基本单元是两个电极夹一个电解质板。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组，再将电池组集合起来就形成了发电站。可以根据不同的需要灵活地组装出不同规模的燃料电池发电站。如日本已建成功率达11万千瓦的试验性燃料电池电厂，大约可供应一座30万人口城市的全部用电量；德国试验出了可为电动汽车提供电能的50千瓦燃料电池。燃料电池的基本单元可按设计标准预先进行大规模生产，所以燃料电池电站的建设成本低，建造周期短。另外，由于燃料电池重量轻、体积小、比功率高，移动起来比较容易，所以它特别适合在海岛上或边远地区建造发电站，或建造分散型电站。 （2）效率高与目前居主要地位的火力发电相比，燃料电池发电结构简单，能量转换效率高，还没有任何污染。火力发电首先要使燃料在锅炉中燃烧，加热锅炉中的水得到水蒸汽，水蒸汽再推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发出电流。燃料中的能量要经过化学能热能机械能电能的多次转化，因而造成极大的能量损失，最终只有不到40的能量转化为电能。而燃料电池直接把化学能转化为电能，不经过中间环节，从而大大减少了能量损失，其能量转换效率可高达80以上。（3）无污染电池的主要成份是镉、铬、镍、锰、汞等化学元素。这些重金属对环境的破坏性很大：一粒纽扣电池能污染60万公升水体；一节一号电池烂在地里会使一立方米左右的土壤无法利用。这些重金属渗入水土后，如经饮食途径摄入人体，还会危害健康。有资料表明，如长期食用被镉污染的米和水，会发生骨质改变和贫血；铬会引起胃肠道溃疡和肾损伤；镍有致癌倾向，还可导致心肌损伤；汞可通过血脑屏障进入中输神经，造成植物神经紊乱甚至性格改变；铅被摄入后不易排泄，高血铅会导致儿童行为异常和低智商；锰虽为人体所需的微量元素，但吸收过多也会引起中毒。我国是电池生产和消费大国，目前年产量达140亿枚，占世界产量1/3。长年累月，若毫无顾忌地将它们随手扔进垃圾箱至填埋场，也无法消除它们对人体和环境的不良影响。若把废电池混入生活垃圾中一起填埋，久而久之，惨出的重金属可能污染地下水和土壤。 燃料电池的生成物主要是水，基本上不排放有害气体，所以它是一种非常清洁的能源。据报道，一些燃料电池的有害气体排放量比美国的国家环保标准规定低两个数量级。另外，燃料电池是静止发电，本身无机械传动装置，只是在控制系统等辅助装置中有运动部件，因而它工作时振动很小，噪音很低。2、燃料电池的现状燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。燃料电池的产业化现已初露端倪，作为一种革命性的新能源生产形式，它是21世纪电力与动力生产的主要发展方向之一，是石油、煤炭等传统能源的优秀“接班人”。2.1 产品在电池这个大家族中，燃料电池已成为其中极富前途的一族，有着众多“成员”。在160年的繁衍发展过程中，科学家们选用不同类型的电解质、不同材料的电极，不同种类的氧化剂，设计了不同结构的燃料电池。（1）碱溶液型燃料电池这是早期开发的产品。它用碱性液体做电解质，工作温度是室温。20世纪6070年代时，美国阿波罗登月飞船、航天飞机和空间轨道站的动力电源均采用碱溶液型燃料电池。 70年代末，德国西门子公司研究了电极催化剂为非贵金属的碱溶液型燃料电池，在此技术基础上，将8个67kW 碱溶液型燃料电池堆组合在一起构成48kW级系统，该系统输出电压为192V时电流可达250A。90年代后，燃料电池研究进入了一个新的高潮，并成为德国国防技术发展的一部分。富士电机是日本研究碱溶液型燃料电池技术较早、成绩最突出的公司，60年代开发了独特的富士电极，并参与了日本政府实施的1978年“日光计划” 和1981年“月光计划” 中碱溶液型燃料电池研制工作。1985年后又试制出3.6kW和7.5kW两种碱溶液型燃料电池装置。 进入90年代后，由于新型燃料电池的出现，又因以液态氢为燃料的碱溶液型燃料电池造价昂贵，人们对它关注慢慢减少。 （2）磷酸燃料电池它以磷酸水溶液作为电解质，工作温度为150220，发电效率达4050。技术开发始于美国。1967年初，美国联合技术公司等组成的大财团，对磷酸燃料电池进行研究，历经10年，共制造了64台PC11A-2型磷酸燃料电池发电装置，先后在美国、加拿大和日本的35个地方进行了试运行。 80年代，日本新能源开发组织先后进行1MW 和200kW现场型发电装置的研究，以适用于边远地区或商业用的发电装置。现已建成两座分别为1MW和5MW的磷酸燃料电池电厂，并通过试验运行。现在磷酸型燃料电池制造技术已达实用化水平，在美国和日本已有产品进入市场。磷酸燃料电池是现在研究国家最多的燃料电池之一，它为大型发电站建设作出了巨大的贡献，但它在能量综合利用方面不如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，所以近年的研究投入减少，进展速度减缓。（3）熔融碳酸盐燃料电池它以高温下处于熔化状态的碳酸盐(碳酸锂、碳酸钾)作为电解质，工作温度为600700，发电效率达4555，不仅可以直接利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以带动气轮机，进行第二次发电。它的最大的特点是可以组合成复合发电的电力回收型系统。 1987年后美国对该电池进行大规模研制与实验。目前美国能源研究公司设计的一个20MW电池堆已在迪斯特（Destec）电源系统公司进行联网演示，效果良好。熔融碳酸盐能量（MCP）公司推出最先进MCP-3型电池堆，成为生产线上第一批产品，该电池堆燃料利用率为75，寿命达到1000h。 1991年后日本把该电池研究转为重点。由三菱电机与美国能源研究公司合作研制的内重整30kW熔融碳酸盐燃料电池，已运行了10000h。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积（1.4m2）的熔融碳酸盐燃料电池堆，试验寿命已达13000h。（4）固体氧化物燃料电池它以固体氧化物烧结体(如氧化锆)作为电解质，工作温度为9001000，发电效率可达5060。因为电解质是固体的，所以避免了许多麻烦，维修费用也大为降低。固体电解质型燃料电池放出的余热也能加热水或蒸汽，或向其他工序供热，也可用于二次发电，因此，它可用于建造热电联供系统。它的工作寿命很长，美国威斯汀豪斯公司制造的产品可连续工作5万10万小时，已达到了实用水平。美国西屋电气公司在该电池的发展历程中起了举足轻重的作用，现已成为最有权威的单位。1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料气，完成了燃料催化转化与电化学反应两个基础过程，为固体氧化物燃料电池发展奠定了基础。80年代后，该公司采用电化学气相沉积技术，使电池性能得到明显提高，从而揭开了崭新的一页。1986-1987年，分别在美国田纳西州和日本东京成功完成管式固体氧化物燃料电池组与发电机组的运行试验，标志着该电池研究从实验研究向商业发展。 固体氧化物燃料电池技术仍处于发展的初期，对于开发商来说，面临的关键问题就是如何降低过高的成本，以提高其商业竞争力。（5）质子交换膜燃料电池它用氟系高分子膜作电解质。电池阴极产生的H+ 能够穿过高分子膜到达阳极，并在那里被还原。这种燃料电池的起动时间短，结构紧凑，功率密度高，工作温度为60100，便于小型化、轻量化，适合作为可移动式电源使用。1981年，美国通用公司为美国LANL研制出交通运输器具的动力电源，大大地推动了其技术的发展。由此，世界各国都争相研究适合交通器具用的质子交换膜燃料电池。其中，加拿大巴拉德公司是较为成功的一个。1987年，巴拉德采用全氟磺酸质子交换膜，使该电池比功率达到3W/cm2。1997年，建成了3辆公共汽车质子交换膜燃料电池的能源系统，已投入使用。其功率为250kW，工作效率达45%55%。在巴拉德公司带动下，许多汽车制造商都参加了燃料电池车辆的研制，使该电池得到迅猛的发展。经初步预测，未来十年极有可能达到10万辆燃料电池汽车。1997年至2001年，各大公司更是研制出41种车用燃料电池。国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成世界上第一个燃料电池厂，去年月正式投产。质子交换膜燃料电池是一种新型、有远大前途的燃料电池，各国政府与大公司均投入巨资展开激烈竞争，努力降低制造成本，以实现其商业化。美国普拉格能量公司与通用公司合作，2001年使10kw 质子交换膜燃料电池进入商业化，价格达到$7501000kW，大批量生产后，使其价格达到$350kW。2.2 应用燃料电池广泛应用于电动汽车、航天飞机、潜艇、通讯系统、中小规模电站、家用电源、以及其他需要移动电源的场所。2.2.1 汽车工业随着社会的发展，环境污染、能源危机日益严重，这些问题与汽车工业休戚相关，能否协调好它们之间的关系，对汽车工业的发展至关重要。随着人们环保意识的提高，社会对零排放、超低排放等新型汽车的呼声日趋高涨，对人口密集，经济发达的大城市，减少汽车的排放和能耗显得尤其重要。传统的内燃机在百年的发展历程中，各项技术日臻完善，其技术革新的潜力有限，开发、研制可代用汽车动力源的工作势在必行。质子交换膜燃料电池因其高效、低污染及良好的环境适应性，被认为是最有前途的新一代汽车能源，国际上对此领域的研究和开发已经投入了巨大的力量，已经有许多样车及试验车队在运行。新型燃料电池的广泛应用，将会引发汽车行业进行一场新的技术革命，（1）氢燃料电池汽车通用汽车公司在2000年研制的“氢动一号”燃料电池车是以液态氢为燃料，以赛飞利厢式车为基础改装，它在悉尼奥运会上作为千年奥运的“绿色使者”，是男女马拉松赛跑的引导车，其燃料箱容积75L，电池组输出功率5560kW，0100kmh加速时间为16s，最高车速140kmh，一次加注续驶里程为400km。2001年该公司在法兰克福汽车展上又展示了新型燃料电池车“氢动三号”。 其主要性能为：液体氢罐容量为68L、氢储存量为4.6kg。燃料电池组的尺寸为472mm251mm496mm，额定输出功率为94kW。驱动电机的输出功率为60kW、最高速度为150km、连续行驶距离为400km。在中国2001年全国工博会上，最吸引人的工业展品之一是上海研制成功的第一辆氢燃料电池展示车。它在外表上与普通汽车完全一样，但当你坐进车里，就会发现它与众不同。车子全部由电驱动，行驶起来悄然无声，即使是启动时也很难察觉到。起步、停车安全可靠，加速飞驰也是异常的爽快。这是辆零污染的“汽车”，喝的是氢气，排出的是纯水。可以说，这是一辆中国的“氢动一号”。 该车可乘5人，总重2500kg，最高时速113km。0100kmh的加速时间仅13s。这辆取名为“凤凰”的燃料电池展示车，曾在2001年10月的APEC会议期间首次亮相。10月17日晚，前来出席APEC CEO峰会的美国通用汽车公司董事长约翰史密斯专程观看了这辆车。他感到惊讶的是，上海在这么短的时间内就推出了被称为零排放的，而具世界先进水平的高科技汽车燃料电池汽车。他现在已不怀疑上海的能力，并对中国充满了信心。据了解，上海研发燃料电池汽车的近期计划是接近产品的前期开发和国产化，目标计划是锁定2008年在北京奥运会上能用上我国自己制造的燃料电池车，最终目的是使这种“新能源”汽车产业化。 (2) 甲醇燃料电池汽车 2000年11月7日，戴姆勒克莱斯勒集团在柏林推出了一种燃料电池新车型NECAR5。它是以奔驰A级车为基础改装，配备了加拿大巴拉德公司的最新质子交换膜燃料电池，采用甲醇来制取氢，燃料电池组最大输出功率为75kW，最高车速为150kmh，一次充注续驶里程为450km。燃料电池的效率比以往测试车型提高了50%，同时驱动系统的体积显著减小，重量也大幅度减轻。（3）乙醇燃料电池汽车 日本马自达与美国福特汽车公司在小型轿车“Premacy”的基础上，联合开发出了燃料电池车“Premacy-FC-EV”。这辆可坐五人，用乙醇作燃料的环保车已得到日本交通部批准并获得了汽车牌照，已开始在日本国内进行公路越野试验。其引擎的输出功率为65kW。此外，马自达将使用所开发的燃料电池车参加日石三菱及戴姆勒等共同开展的燃料汽车越野试验计划。（4）汽油燃料电池汽车 丰田汽车在2001年第35届东京汽车展上展出了新型的燃料电池汽车“FCHV-5”，它是用改质型汽油类燃料的清洁碳氢化合物燃料来制取氢气的。丰田将改质器做得更小并安装在汽车底板下，其尺寸为：宽600mm、厚880mm、高200mm。据说丰田目前已开始在车辆中安装了这种改质器并进行行驶试验。不过，丰田觉得这一尺寸还显略大，准备进一步将其缩小到现在的1/3左右，以便能够安装到引擎室中。 （5）电动公共汽车 美国通用汽车公司生产的新型电动汽车业已面市， 并在加利福尼亚和亚利桑那州投入使用。据称， 此举可使全美国污染最严重的洛杉矶市在净化空气的斗争中反败为胜。该电动公共汽车使用高效燃料电池， 白天用， 晚上充电；或部分电池使用， 部分电池充电； 新型电池体积趋向小型化， 重量趋向轻型化。当然， 这样矛盾被转化到电厂，他们算了一个总账， 净化一个大型电厂烟囱尾气的投资比净化百万辆汽车的尾气的投资要上算得多， 也容易得多。发展中国家可以一步到位， 不必先全面发展尾气净化器， 后再发展电动公共汽车。有报导， 南美国家哥斯达黎加首都也已投入使用。 2.2.2 能源发电人们预期燃料电池发电系统是未来最有吸引力的发电方法之一，它的能量转换效率高、燃料使用和场址选择灵活、污染物排放量很少。美国国家科技委员会人士指出：“燃料电池将结束火力时代。”目前国外重点开发能源发电的有以下几种燃料电池：一是磷酸盐燃料电池：美国已完成12kW-200kW级就地发电装置现场试验，技术趋于成熟，已可作为商品出售。日本自1981-1990年进行集中研究, 对5兆瓦级加压型和1兆瓦级常压型电厂实施了运行。 二是熔融碳酸盐燃料电池：从1987年开始，美国燃料电池研究重点已由磷酸盐型转向高温熔融碳酸盐型。计划1992-1993年完成了70KW、120KW级熔融碳酸盐燃料电堆的评估试验，第一座演示性200KW电站于1994年底开始运转，1998年开始出售正式产品。 三是质子交换膜燃料电池：加拿大巴拉德公司和世界许多著名公司共同合作开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过5年研发，第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电，1999年9月送至美国，经过周密测试和评估，在提高设计性能与降低成本的基础上，导致了第二座电厂的诞生，现安装在柏林，输出功率为250kW，也是在欧洲的第一次测试。很快巴拉德公司第三座250kW电厂也于2000年9月出现在瑞士的测试现场，2000年10月将第四座燃料电池电厂安装在日本的NTT公司，开拓了亚洲市场，促进了其商业化进程。第一个早期商业化电厂已在2001年底面市。图中所示分别是安装在德国和美国的燃料电池装置，目前正在测试。四是固体氧化物燃料电池：在固定电站领域，被称为第三代燃料电池，正在积极的研制和开发中，是正在勃勃兴起的新型发电方式之一。 壳牌氢气公司和西门子西屋电力公司联手开发和销售一种独具特色的，以天然气为燃料的发电技术。该技术结合并应用了高温固体氧化物燃料电池，以及壳牌公司开发的二氧化碳清除技术，它可从本质上根除可导致温室效应的气体的排放。除了电力以外，这种先进的装置只产生水和纯CO2。 CO2将被注入废弃的油气贮藏池，在此永久“归隐”，以取代曾被自然埋藏在地底达数百万年之久的碳氢化合物。与常规发电技术相比，对发电量达10兆瓦等级的发电厂而言, 新型固体氧化物燃料电池发电厂可比常规技术更能有效地利用燃料，且成本更低廉、占地更少。 我国在开发燃料电池能源发电方面也做出了可喜的成绩。最近，上海交大结合我国在21世纪能源发展的多元化趋势，吸收了国内外宝贵经验，率先在国内成功进行了1-1.5千瓦的熔融碳酸盐燃料电池发电实验。2001年7月,该项目通过了成果鉴定。该成果电池组连续工作达300小时，最大输出功率达到1060瓦以上，电池组平均电池密度达到148.8mA/cm2。2.2.3 船舶工业原则上讲，所有燃料电池都适用于水面舰船的发电和/或推进系统。这些燃料电池所用的燃料有氢气、富氢气体(如甲烷)或液态碳氢化合物(如甲醇、柴油)，后者必须经过适当的重整才能用于燃料电池系统。美国海军1995年完成了一项燃料电池技术在用作船用电网和推进系统时，对驱逐舰和小型护卫舰等海军战舰的设计性能及其影响进行了评价研究。1998年美国海事署对燃料电池在集装箱船上的应用进行了研究，该船所需总动力为5440kW，它具备在集装箱内贮存加压天然气(LNG)的所有必要条件。在8x40ft的集装箱中所装载的天然气燃料，能足够行驶大约560NM，它比使用柴油约便宜了30，但这只船的缺点是熔融碳酸盐燃料电池的预期寿命不长，在船上只能运行大约5年时间。德国西门子公司一直在进行着潜艇动力电源的研究，在212级潜艇用的质子交换膜燃料电池单元基础上，最近又研制出120kW单元。此单元功率密度可达到280和300W/kg，在2000年左右开始批量生产。另外，西门子公司还研制了30-45kW氢-空气燃料电池单元，它用贮存在舰艇上的氢或柴油液体燃料重整制得的氢进行工作，在2000年左右可用于水面舰艇。预计到2003年将建成一艘Class 212型潜艇，它带有一套300kW的供电装置，依靠一个甲醇裂解炉来产生氢气，巡航时速度可达8海里/h，氧气储备可供燃料电池、裂解器和全体船员呼吸使用，发电效率达到70%。2.2.4 航天工业60年代，燃料电池成功地应用于阿波罗登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域。美国飞机制造业巨头波音公司2001年11月27日宣布，这家公司将研制一种使用环保燃料电池的电动飞机，预计在2004年首次试飞。该公司正与在西班牙马德里新设的波音技术研究开发中心等联合进行这项开发计划。波音公司表示，研制这种电动飞机，主要是想检测燃料电池在航空领域应用的潜力。此项研究的最终目的并不是用燃料电池和电动马达来取代现有民航飞机的引擎，而只是取代现有飞机引擎的辅助动力系统。该系统位于飞机尾部，主要提供飞机在陆地上行驶所需动力以及在飞行中提供辅助电力。与现有的燃油辅助动力系统相比，燃料电池系统噪音更低，更加清洁、高效，它使用同样的燃料能生产双倍电力，因此可以大大减少航空运输对环境的污染。波音公司飞机新产品开发部的首席工程师迈克弗兰德说，燃料电池是一种潜力巨大的新技术，它在未来的民航飞机上的运用将前景灿烂。2.2.5 移动通信未来数年内，新的动力之源迷你型燃料电池将成为最抢手的便携设备电源，它将带来电池能源的革命，在手机、笔记本电脑、掌上电脑等电子产品上都将出现它俊俏的身影。 (1) 高分子型燃料电池手机 2001年日本电器公司试制了一种新型高分子型燃料电池，看上去就像是一块饼干。它的原理是如同打火机装油一样，从注油口注入燃料补充电力，以供长期使用。手机有了它，便可以使用1个月以上，电脑则可连续使用几天也不在话下。公司希望在2003年至2005间使该产品商业化。（2） 甲醇燃料电池手机 摩托罗拉及阿拉摩斯（Los Alamos）国家实验室联合开发了一种微型的燃料电池：预计这种电池终有一天可望取代目前使用的传统电池，用于各种各样的电子产品作电源，包括手机、笔记本电脑、手持式照相机、以及电子游戏机等，此种电池的底面尺寸约为1平方英寸、厚度小于0.90英寸。使用液体甲醇作燃料，可以十分方便地安装在各种电子产品内。电池的能量密度超过传统充电电池的10倍。预计经过三到五年的大量生产以后，体积将明显小于目前充电电池，价格也将大大低于如今的充电电池。（3） 乙醇燃料电池手机 以色列密迪斯技术公司(Medis Technologies)则采取了另一种截然不同的方法采用液态电解质，它与法国手机制造商签订协议，正在兴建一座蓄电池厂，每年能生产5000万微型燃料电池。该电池以乙醇作燃料，对旅行者尤为适用。公司总经理风趣地说道：“我可以从饭店的冰箱拿出一瓶上好的伏特加酒，倒一些在燃料夹中，就可使用手机了！即使便宜的伏特加也能管用。”2.2.6 机器人美国南佛罗里达大学科学家已研制出了一种需要“吃肉”来给体内补充电能量的机器人。这种机器人看上去像一列小火车，有12只轮子，体内装有一块微生物燃料电池，为机器人运动和工作提供动力。这种微生物燃料电池可以通过细菌产生酶，消化肉类食物，然后把获取的能量再转化为电能，供给机器人使用。发明者威尔金森教授说，实验表明这个机器人“吃蔬菜”效果并不佳，缺少营养，而肉类食品最适宜。此外，这种机器人还可以“吃糖块”。发明者还说，这台机器人不会对人类构成任何威胁，因为并没有给它安装这类传感器。这种微生物燃料电池运用在机器人研究尚属首次。2.3 市场美国1999年燃料电池应用产品的销售额5.8亿美元。发电所占比例最大。 1999年 (百万$)所占份额()发电20034汽车15026便携式电子产品254军用和航天9016其它11520合计580100据商业通信公司（BCC）估计，2000年燃料电池市场达到2亿1800万美元。质子交换膜燃料电池在目前的市场上成为主导类型，在2000年，它带来1亿200万美元的销售额。而原来销售量最大的固体氧化物燃料电池在2000年直线下降，从1999年的1亿6600万降到2000年的5400万美元。迄今为止，熔融碳酸盐燃料电池仍被限定在一些固定的应用中，2000年销售额2500万美元。商业化最成熟的磷酸燃料电池将持续其稳定的销售额，2000年销售约2000万美元。由于应用范围的限制，碱性燃料电池在2000年总销售额约1500万美元。2000年(百万$)所占份额() 质子交换膜燃料电池104.048 固体氧化物燃料电池54.025 熔融碳酸盐燃料电池25.0 11 磷酸燃料电池20.49 碱性燃料电池15.07 总计218.4 1003、燃料电池前景展望据商业通信公司估计，随着更多燃料电池商业化的到来，燃料电池市场将大幅度上升，预计2005年将达到24亿美元，年平均增长率超过61.7%。各种类型燃料电池预计增长值如表所示：2000年(百万$)2005年(百万$)年平均增长率(%)质子交换膜燃料电池104.01640.073.6固体氧化物燃料电池54.0260.036.9熔融碳酸盐燃料电池25.0450.078.3磷酸燃料电池20.435.611.8碱性燃料电池15.030.014.9总计218.42415.661.7美国2004年燃料电池的销售额将预计达到24亿美元，是1999年4倍。如果技术继续高速发展，燃料电池的市场份额将在2009年达到70亿美元。一些世界领先的汽车制造商，都计划在2003-2004年尽早将燃料电池作为汽车能源。1989年 (百万$)1999年 (百万$)2004年 (百万$)平均增长率(%)发电3520085033.6汽车1015075038.0便携式电子产品2520051.6军用和航天459020017.3其它2511540028.3合计115580240032.8美国能源部对2005-2010年美国潜在的燃料电池市场进行预测：美国未来年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。目前预测2005-2010年年生产能力（MW）601002000-4000商业化价格（$/kW）2000-30001000-1500900-11004、我国燃料电池的发展现状与对策当全球面临着环境恶化和潜在能源危机的情况下，我国宣布加入同发达国家之间在清洁能源研究开发领域的战略竞争。“燃料电池发电技术”被列入科技发展“十五”计划和2015年远景规划。中国科学院启动科技创新战略行动计划重大项目“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”。中科院和科技部为这项21世纪首选的洁净、高效的发电技术投资逾亿元人民币。这标志着中国科学家在新世纪初开始决战氢能时代。4.1 我国燃料电池的发展现状90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究；国家科技部和中国科学院共同投入较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究出现了新的势头。 1994年4月由中国电子技术学会，电子部天津电源研究所组织在天津召开了“发展我国燃料电池技术”研讨会。与会代表一致认为我国应大力发展燃料电池技术。中国科学院将燃料电池技术列为“九五”院级重大特别支持项目；国家科委也将燃料电池技术列