燃料电池发展前景及其应用.doc

内蒙古科技大学选修课结课论文课程名称： 21世纪高新技术展望 论文题目： 燃料电池发展前景及其应用作者姓名： 杨 尚 文学院名称： 信 息 工 程 学 院学科专业： 09 自 动 化 4 班学 号 ： 0967106427燃料电池发展前景及其应用摘要燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的未来以及发展让我们展望。关键字燃料电池、发展、合作、装置、设备、更新发展、作用、应用正文一. 燃料电池的发展前景燃料电池发电装置每发电1000kw/h排出污染物1盎司，而常规燃烧装置为25磅。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。预计到2010年左右，燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4.5%和3.7%，到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。燃料电池汽车市场虽还不大，美国2002年为225万美元，但后5年内，年均增长率为84%，2007年将达到4760万美元。大多数汽车制造商都看好质子交换膜（PEM）燃料电池汽车技术，另外，固体氧化物燃料电池在辅助动力应用中也可望起重要作用。车载燃料电池组件市场现为12000万美元，但今后5年内，预计年均增长率为91%。二. 使用各种燃料的燃料电池应用现状目前，世界化学品生产商塞拉尼斯公司、杜邦公司、巴斯夫公司、Methanex公司，燃料电池开发商Ballard动力系统公司、国际燃料电池公司以及汽车生产商戴姆勒-克莱斯勒公司、福特汽车公司、现代汽车公司、大众汽车公司等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池汽车。按燃料电池所用原始燃料的类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。1. 氢燃料电池通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动力的零排放概念车“氢动一号”，该车加速快，操作灵活，从0100km/h加速仅16秒，最高时速可达140km/h，续驰里程400km。空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商，其供氢站已经可为氢燃料电池汽车供应2434MPa的液氢。2003年4月林德公司为德国Adam Opei公司建造了世界上第一座70MPa氢气充气站，这标志着以氢气为动力的汽车社会进入一个重要的里程碑。与常规的35MPa系统相比，70MPa技术有较高的贮氢密度，可复盖燃料电池汽车60%70%的范围。这一技术进展使燃料电池汽车行驶里程可超过400 km，这是推广使用以压缩氢为动力的汽车最重要的前堤之一。设置于德国多登赫芬Opel试验中心的这套充气站，由林德公司设计和建造，它可将氢气供给Opel燃料电池汽车。该充气站由10000升液氢罐藉林德设计的下游蒸发器向汽车供氧，该液氢罐供氢速率为40立方米/分钟，可使汽车在约3.5分钟内充满。带有优化动力消耗的智能压缩技术，每压缩一标准立方米氢气仅耗用动力0.18 kwh，该数值大大低于其他各种充气站。汽车贮氢罐充气程序符合高度的安全标准。上海同济大学、壳牌氢能公司和壳牌（中国）有限公司三方已签署协议，共同建造上海首座固定加氢站，为使用燃料电池的汽车提供加氢服务。同济大学与壳牌将在上海国际汽车城建造这座新的加氢站，由双方共同进行设计、建造。维护和运营。加氢站内还设有一个有关氢能经济的信息中心。这座加氢站将于2006年底建成，是国家科技部发展电动车的国家级项目的一部分。2006年，上海将有10辆使用燃料电池的汽车投入运营，并计划于2010年增加到1000辆，其中包括全球环境基金通过联合国开发计划署资助的使用燃料电池的公交车。面对全球石油资源日益紧张的形势，建立首座固定加氢站对于上海实现氢能利用的长远目标是重要的一步。壳牌正在世界范围内创建多个“灯塔项目”的战略，“灯塔项目”以4个或更多的加氢站为一组，由壳牌和其他能源公司以半商业化方式运营，通过政府与企业合作，为100多辆燃料电池汽车提供加氢服务。2. 甲烷燃料电池使用甲烷（天然气）作为燃料电池的燃料可避免贮氢和补充氢燃料的后勤问题。但是，在燃料电池的阳极直接氧化甲烷还很困难。在固体氧化物燃料电池中，如工作温度超过800，会发生碳质沉积物污染电极问题，如温度低于800，则会降低功率密度。美国西北大学和宾夕法尼亚大学采用改进固体氧化物燃料电池性能的方法，在镍系阳极中加入氧化钇并掺杂二氧化铈形成多孔电极，仅650就能达到很高的功率密度，这样的温度也不会引起碳沉积问题。利用蒸汽转化在约500下由甲烷生产氢气时，由于热动力学平衡限制，甲烷只能分解40%左右，若将温度提高到1000以上，分解可提高到近100%，但产生大量CO2副产品。日本东京技术研究院开发了可使甲烷完全分解而无CO2副产品的工艺技术，该工艺在500以下及低于0.1MPa压力下进行。甲烷在氧化硅载体的镍催化剂上分解为氢气和碳，碳形成细粉末可回收。产品气体含氢约40%，通过金属氧化物，如Fe2O3和In2O3，氢可使氧化物还原为金属。这样，在300左右，用蒸汽可使金属重新氧化得到大量纯氢。它可安置在燃料电池车辆上为燃料电池提供氢气。它不产生CO2，与常规的甲烷转化技术相比具有经济上的优点。3. 甲醇燃料电池戴姆勒-克莱斯勒公司、巴斯夫公司、BP公司、Methanex公司、Statoil公司和Xcellsis公司联合将甲醇燃料电池汽车推向商业化，开发了以甲醇为燃料的燃料电池汽车NECAR 5。甲醇是一种理想的液体贮氢介质，在常温下为液体，可像汽油或柴油燃料一样运输、贮存和处理。甲醇转化制氢所用的催化剂为巴斯夫公司提供的氧化铜催化剂和其他金属氧化物催化剂。在甲醇和水混合进入转化器后，高活性的催化剂可使甲醇转化产生大量氢气，工作温度为200350。NECAR 5的推出，标志着甲醇燃料电池技术向商业化迈出了重要一步。戴姆勒-克莱斯勒公司推出的NECAR 5汽车堪称是燃料电池技术的里程碑。这种燃料电池动力汽车在美国已完成了3000英里行车试验。NECAR 5汽车于2002年5月20日离开旧金山，穿越了内华达山脉和落矶山脉进入华盛顿，这一验证性行车是燃料电池动力汽车第一次经过各种地带的长距离行车，包括长时间的高温和气温超过32的工作环境。NECAR 5是戴姆勒-克莱斯勒公司开发的第5代燃料电池汽车，由Ballard燃料电池驱动系统带动，该系统包括车载甲醇转化器，转化器从液体甲醇抽取氢气驱动燃料电池。汽车主体为Mercedes-Benz A级类型。在穿越美国的行车试验中，汽车每300英里用克莱斯勒分配器配给的甲醇补加一次燃料。甲醇由Methanex公司提供。我国山东理工大学山东省清洁能源工程技术研究中心2003年初研发成功具有原始创新性和自主知识产权的直接甲醇燃料电池。该研究中心提出模拟生物酶燃料电池催化剂的思路，采用廉价、性能高的模拟生物酶代替当今燃料电池中使用的价格高、资源受限的铂催化剂研制成这种新型燃料电池，并在实验室发电成功。其工作原理是直接将甲醇和水的混合物送至DMFC阳极，发生电催化氧化反应生成CO2，并释放出电子和质子，电子从阳极经外电路转移至阴极形成直流电。其工作温度范围可从室温到135。目前世界甲醇市场供过于求，但甲醇可望成为未来环境友好的燃料电池燃料。据预测，燃料电池将为2010年甲醇需求增加70万吨、2015年增加850万吨、2020年增加6000万吨。从长期看，燃料电池工业将为甲醇工业提供巨大的发展潜力。4. 乙醇燃料电池美国明尼苏达大学开发了具有商业化潜力的反应器，该反应器可从乙醇制取燃料电池用氢。如果被确证，这可望首次从可再生资源生产氢气，而不是从烃类或甲醇生产氢气。该工艺过程对于主要为液体燃料贮存的小型便携式燃料电池，可低费用地产生氢气。乙醇和水在一个汽车燃料用喷射器中混合后，藉铑-二氧化铈氧化生成氢气和二氧化碳，该反应是有吸引力的，因为氢气可从乙醇和水获取，潜在产率可望提高。该过程在现有乙醇价格下具有竞争性，并且可望使用未经脱水就可用作燃料的较廉价的乙醇。可再生资源制氢的其他方案吸引力则小得多，从葡萄糖制取氢气业已经验证，但产氢的选择性仅50%，又需较长的反应时间。生物柴油（菜子油衍生的脂肪酸甲酯）也可望应用，但高的油价限制了其经济性。在今后几年内，乙醇生产费用可望下降，因为正在致力于直接从低价值生物质而不是从谷物糖来生产。如果乙醇被用来生产氢气而不是作为燃料被燃烧，则整个过程效率可提高3倍。研究人员可望利用贮藏在谷物糖中的50%能量，而乙醇在汽车中燃烧，仅能利用其能量的20%。研究人员正在改进技术以提高产氢率。乙醇制氢燃料电池的初期应用市场可望包括偏远地区用以替代电力。5. 汽油燃料电池通用汽车公司和丰田汽车公司均致力于汽油燃料电池的开发。该技术从清洁碳氢化合物燃料的汽油中制取氢气，采用这种制氢方式的燃料电池优点是采用含硫少的清洁燃料，可延长燃料电池自身寿命，并且容易维修。由于使用汽油，现有的汽油加油站也能得到充分利用。同时其能量利用效率较高，内燃机效率为15%，汽油燃料电池可高达22%32%；排放CO2也较少，内燃机排放CO2为220g/km，而汽油燃料电池为110140g/km。燃料电池所用能源的重要一环是供应超清洁燃料。使柴油和汽油中的硫减少或去除是清洁燃料研究中最严峻的挑战之一，也是美国实施“21世纪梦想”能源计划重要的组成部分。美国能源新法规要求汽油含硫从350g/g减小到30g/g，柴油含硫从500g/g减小到15g/g，2006年实施。法规还要求减少燃料中芳烃含量。降低燃料尤其是车用柴油和汽油中的硫含硫是很棘手的问题。大多数炼油厂都建有催化裂化（FCC）装置，将重质馏分转化为石脑油和轻循环油（LCO），分别用以生产汽油和柴油。它们作为主要的燃料调合料含有大量硫。各种脱硫工艺可用于FCC之前、FCC之中或FCC之后去除硫。这些工艺过程需要催化剂和氢气，在高温和高压下反应，噻吩环被加氢，然后使硫成为H2S被汽提掉。典型的催化剂为含少量促进剂金属如钴或镍的二硫化钼。要满足新的燃料规范存在许多复杂因素，既要去除硫又要保持汽油必要的高辛烷值是很辣手的课题。燃料电池用氢气除了要低含CO外，也必须从低含硫的烃类物流制取，因为硫会毒害现有燃料电池系统所用催化剂。虽然某些来源的烃类低含硫，如处理过的天然气、甲醇、天然气合成油（GTL）和二甲醚（DME），但日本国家先进工业科学技术研究院（AIST）的研究人员认为，超低硫汽油（ULSG）也可望成为较好的氢源。根据这一理念，AIST的研究人员正在开发新的加氢处理催化剂，以用于生产超低硫汽油（ULSG）。这种催化剂由钯-铂合金（Pd：Pt=4：1）的纳米颗粒组成，负载于不稳定的Y型分子筛上，并用镱（Yb-USY分子筛）使之稳定。在实验室试验中，进料采用含硫为60g/g的汽油，含硫成份主要是噻吩，如苯并噻吩和其他硫化物，如硫醇、硫化物和二硫化物。使用固定床加氢处理，操作条件为280、液时空速（WHSV）为416。该催化剂的脱硫效率为98%，可使硫含量减少到0.12g/g。最后再用吸附步骤使其硫含量减少到约20PPb，则可使该燃料用作燃料电池的氢源。脱硫反应已连续运转了75个小时。因为芳烃和烯烃在该反应中已基本上被饱和，因此生成的超低硫汽油（ULSG）不含硫醇，硫醇通常由H2S和烯烃再组合才能生成。AIST研究人员正在为使该技术推向商业化继续工作。大多数主要的石油公司都在开发少投资的脱硫方法，以满足新的燃料法规，这些方法包括新催化剂配方的开发、指定反应和工艺条件、设计新的反应器或者开发基于吸附、氧化、膜分离、生物技术或离子液体的全新的工艺，这些方法中的有一些可望应用于炼油厂生产超清洁燃料，它们也将作为美国“21世纪梦想”能源计划的炼油厂技术脱颖而出。三. 我国研究开发进展我国2类碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统通过了航天环境模拟试验。国家已将质子交换膜燃料电池列为重点攻关项目，以大连化学物理所为牵头单位，在国内全面开展了质子交换膜燃料电池的材料和电池系统的研究，并组装了多台各种功率（1kw25kw）的电池组和电池系统，达到了电动车动力源的要求。以纯氢为燃料的5kw6=30kw质子交换膜燃料电池为动力的中巴车也试运成功。大连化物所5 kw级甲醇自热转化氢源系统与燃料电池一次联试也取得成功，集成的转化氢源系统和转化气燃料电池技术标志着我国在甲醇自热转化氢源系统和转化气燃料电池的研制方面取得了突破性进展。在6个多小时的的联试过程中，氢源系统及燃料电池系统的工况均正常稳定，甲醇转化气中CO浓度为310-5左右，氢气含量达到53%，燃料电池输出功率始终维持在55.2 kw之间。联试结果不仅证明了燃料电池的抗CO能力很好，而且采用燃料电池尾气作为制氢系统的燃料气，实现了全系统的能量平衡和优化利用。由全球环境基金、联合国开发计划署和中国政府共同支持的“中国燃料电池公共汽车示范项目”，于2003年3月启动，历时5年在北京和上海示范。根据两地地域和资源特点，设计出燃料电池公共汽车系统技术指标后，采用全球招标的方式购置12辆燃料电池公共汽车，并建立相应加氢设施。在示范运行中，将系统采集和分析各种试验数据，验证燃料电池公共汽车技术可行性，进一步改进设计，降低成本，最终推动燃料电池公共汽车在中国产业化和推广应用。上海研制的第二代燃料电池轿车超越二号的台架车已通过专家组的验收，并试装桑塔纳3000型车身，整个试装过程在2004年5月完成。超越二号在北京的国际氢能大会上露面。装载第一代燃料电池发动机的超越一号于2003年8月问世。据介绍，第二代燃料电池动力系统与第一代系统相比更加灵巧和有力总重量减少到320千克，轻了100多千克，体积缩小30以上，功率则提升了2025，预计最高时速为118公里。由我国自主研制的燃料电池城市客车和戴姆勒克莱斯勒公司生产的燃料电池公共汽车，于2004年5月驶上北京街头，把参加第二届国际氢能论坛的与会代表送达人民大会堂会场。我国巳先期购买戴姆勒克莱斯勒公司的3辆燃料电池公共汽车，在北京做商业化示范。我们相信在不久的未来，燃料电池一定会得到更好的发展，会为发展做出更好的作用。参考文献1