燃料电池的现状
1:PEMFC的研究现状
我国最早开展PEMFC研究工作的是长春应用化学研究所，长春应用化学研究所于1990在中国科学院的支持下开始研究PEMFC。其工作主要集中在催化剂和电极的制备工艺以及甲醇外重整器的开发上，并已制造出100WPEMFC样机。1994年率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池研究。该研究所与美国凯斯西储大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所建立了长期合作关系。中国科学院大连化学物理研究所在1993开展了PEMFC的研究，在电极技术和电池结构方面做了大量工作。现在已经研制出工作面积为140cm2的单体电池，输出功率达到0.35W/cm2。
复旦大学在20世纪90年代初开始研发直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备技术。厦大与香港大学和美国CaseWesternReserve大学合作开展直接甲醇PEMFC研究。
65438-0994，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC(“八五”重点项目)，主要研究催化剂、电极和电极膜组件的制备技术。
北京理工大学在兵器工业部的支持下于1995年开始了PEMFC的研究，单体电池电流密度为150mA/cm2。
中科院工程热物理研究所从1994开始研究PEMFC，主要利用计算传热学和计算流体力学对供气、加湿、排热、排水等多种方案进行比较，提出了改进的传热传质方案。
天津电力科学研究院于1997年启动了PEMFC的研究，计划从国外引进1.5kW电池，在分析吸收国外先进技术的基础上开展研究。
从65438到0995，北京富源公司与加拿大新能源公司合作研发PEMFC，一台5kW PEMFC样机已经研制成功并接受订单。
2.简介2:MCFC研究
国内开展MCFC研究的单位并不多。哈尔滨供电设备研究所在20世纪80年代末开始研究MCFC，90年代初停止了这方面的研究。
65438-0993，中科院大连化物所在中科院的支持下，开始了MCFC的研究，制备了LiAlO2微粉，用冷轧法和流延法制备了MCFC用隔膜，组装了单体电池。其性能已达到80年代初的国际水平。
20世纪90年代初，中科院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法和金属间化合物作为MCFC阳极材料的研究上取得了重大进展。
20世纪90年代初，北京科技大学在国家自然科学基金的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解液的相互作用，提出使用金属间化合物作为电极材料，减少其溶解。
3.3:SOFC研究简介
中国科学院上海硅酸盐研究所对SOFC进行了最早的研究。他们在1971开始了对SOFC的研究，主要集中在对SOFC的电极材料和电解质材料的研究。20世纪80年代，在国家自然科学基金的支持下，开始了SOFC研究。系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单SOFC的结构，初步掌握了湿化学法制备稳定氧化锆纳米粉体和致密陶瓷的技术。1989在吉林省青年科学基金的资助下，吉林大学开始研究将SOFC的电解质、正负极材料组装成单体电池，并通过了吉林省科委的鉴定。1995由吉林省计委和国家计委资助450万元。先后对电极、电解液、密封和连接材料进行了研究。单体电池开路电压达到1.18V，电流密度为400mA/cm2。四节单体电池串联的电池组可以使收音机和录音机正常工作。
1991年，中国科学院化工冶金研究所在中国科学院的支持下开展了SOFC的研究。从材料上研究，制作了管状和平板状单体电池，功率密度0.09 w/cm2 ~ 0.12 w/cm2，电流密度150 ma/cm2 ~ 180 ma。1994年，该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所进口了20W~30W堆叠式SOFC电池，电池寿命达到1200h·h..他们在分析俄罗斯的叠层结构、美国西屋的管状结构和德国西门子的板状结构的基础上，设计了一种新的六面体结构，吸收了非密封管状结构的优点，电池的组合由金属毡柔性连接，可以用常规陶瓷制备工艺制成。
1992华南理工大学在国家自然科学基金、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚研究基金、广东省佛山基金的支持下，开始了SOFC的研究。组装的管状电池直接使用甲烷作为燃料，最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续工作时间为140h。发达国家把发展大型燃料电池作为重点研究项目，企业也投入巨资进行燃料电池技术的研发，取得了许多重要成果，使燃料电池广泛应用于发电和汽车，取代传统的发电机和内燃机。值得注意的是，这种重要的新型发电方式可以大大减少大气污染，解决电网供电和调峰问题。2MW、4.5MW、110MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，一些发达国家已建成各种档次的燃料电池电站。燃料电池的发展和创新会像一百年前内燃机取代人力的技术突破引发的工业革命，计算机的发明和普及取代人力的计算、绘图和文档处理的计算机革命，网络通讯的发展改变人们生活习惯的信息革命。燃料电池高效、无污染、建设周期短、易维护、低成本的潜力，将在21世纪引爆新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以赶超之势迅速进入工业规模应用阶段，并将在21世纪成为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅速发展必须引起我们的注意，这已成为能源和电力行业不得不正视的课题。
磷酸燃料电池(PAFC)
受1973世界石油危机和美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池。PAFC作为一项大型节能发电技术，是由NEDO开发的。自1981年以来，开展了1000kW现场PAFC发电装置的研发工作。1986年进行了200kW野战发电装置的研制，适用于偏远地区的PAFC发电装置或商用。富士电机公司是日本PAFC电池组的最大供应商。截至1992年底，公司已向国内外提供17套PAFC演示装置。1997年3月，富士电机完成了分布式5MW设备的运行研究。作为现场设备，已有50kW、100kW、500kW等88种设备投入使用。下表显示了富士电机公司交付的发电设备的运行情况。到1998，部分已经超过40000小时的目标寿命。
从70年代后半期开始，东芝公司以开发分布式燃料电池为中心，以110MW机和200kW机系列化了分布式电源。110MW发电机是世界上最大的燃料电池发电设备。从1989建于东京电力公司五井火力发电站。3月初发电成功后，经过5年多的现场测试，直至6月1965438，累计运行时间超过20000小时。在小型野战燃料电池领域，1990年，东芝与美国IFC公司成立ONSI公司，将野战燃料电池商业化，随后开始向全球销售野战型200kW设备“PC25”系列。PC25系列燃料电池从1991年底运行到1998年4月，向全球销售了174台。其中，安装在美国某公司的1号机和安装在日本大阪市美天中心的大阪燃气公司2号机先后超过4万小时。在燃料电池的寿命和可靠性方面，40000h的累计运行时间是燃料电池的长期目标。东芝ONSI已经完成了官方商用机器PC25C的开发，并已经投放市场。PC25C作为21世纪新能源先锋，荣获日本国际贸易工业奖。从燃料电池商业化开始，该设备被评价为先进、可靠、优越的环保设备。其制造成本为3000美元/千瓦，而商业化的PC25D设备成本将降至1.500美元/千瓦，体积比PC25C减少1/4，质量仅为14t。2001中国将迎来第一座PC25C燃料电池电站，主要由日本MITI(NEDO)出资，这将是中国第一座燃料电池电站。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)
加拿大著名公司Ballard是PEMFC技术的全球领导者，其应用领域从车辆到固定电站。其子公司BallardGenerationSystem被认为是零排放质子交换膜燃料电池研发、生产和市场化的世界领导者。BallardGenerationSystem最初的产品是一个250kW的燃料电池电站，其基本组件是Ballard燃料电池，利用氢气(从甲醇、天然气或石油中获得)和氧气(从空气中获得)进行发电，无需燃烧。Ballard正在与世界上许多著名公司合作，将BallardFuelCell商业化。BallardFuelCell已在固定发电厂使用:BallardGenerationSystem由BallardGenerationSystem、GPUInternationalInc、AlstomSA和EBARA公司联合成立，共同开发千瓦级以下的燃料电池发电厂。经过五年的发展，首台250kW电厂于1997年8月发电成功，并于1999年9月送至印度国家能源公司。经过仔细的测试和评估，提高了设计性能，降低了成本，这导致了第二个电厂的诞生，它安装在柏林，输出功率为250kW，也是欧洲的第一次测试。不久，Ballard的第三个250千瓦发电厂于2000年9月安装在瑞士进行现场测试，然后，2000年6月，通过其合作伙伴EBARABallard，第四个燃料电池发电厂安装在日本的NTT公司，打开了亚洲市场。在不同领域进行测试将极大地促进燃料电池电站的商业化。第一个早期的商业电厂将于2006年5月38日结束。下图是安装在美国Cinergy的Ballard燃料电池装置，正在进行测试。
图为安装在柏林的250千瓦PEMFC燃料电池电站:
在美国，PlugPower是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发和制造适用于居民和汽车的经济型燃料电池系统。1997年，PlugPower模块首次成功将汽油转化为电能。PlugPower公司开发了其专利产品PlugPower7000，这是一种用于住宅的分布式供电系统。2001年初推出商业产品。家用燃料电池的引入将使核电站和燃气电厂面临挑战。为了推广这款产品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合资公司，产品更名为GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司负责全球推广。该产品将提供7kW的持续功率。GE/Plug公司声称其2001年初的价格为1500美元/kW。他们预测，五年后，量产燃料电池的价格将降至500美元/千瓦。假设有200，000个家庭，每个家庭都配备了7kW家用燃料电池发电设备，其总和将接近核电机组的容量。这种分散式发电系统可用于高峰供电，并且由于分散式系统设计，增加了电力的稳定性。即使其中几个出现故障，整个发电系统仍然可以正常运行。在Ballard公司的推动下，许多汽车制造商参与了燃料电池汽车的开发，如克莱斯勒、福特、通用、本田、日产、大众和沃尔沃。他们使用的许多燃料电池是由Ballard公司生产的。与此同时，他们也投入大量资金开发燃料电池。克莱斯勒向Ballard公司注资4.5亿加元开发燃料电池汽车，极大地促进了PEMFC的发展。1997年，丰田制造了一辆装有甲醇重整器的RAV4跑车，由一个25kW的燃料电池和辅助干电池提供全部50kW的能量，最高时速125km/h，行程500km。这些大的汽车公司都有燃料电池发展计划。虽然燃料电池汽车商业化的时机尚未成熟，但几家公司已经确定了开始量产的时间表。戴姆勒-奔驰公司宣布，到2004年，它将每年生产40，000辆燃料电池汽车。因此，未来十年，极有可能达到10万辆燃料电池汽车。
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
20世纪50年代初，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)因其作为大规模民用发电装置的前景而引起了全世界的关注。之后MCFC发展很快，在电池材料、工艺、结构上都有了很大的提升，但是电池的工作寿命并不理想。80年代已被视为第二代燃料电池，成为实现兆瓦级商用燃料电池电站的主要研究目标，发展速度日益加快。MCFC的主要开发者集中在美国、日本和西欧。预计将于2002年商业化。
美国能源部2000年拨款4420万美元用于固定燃料电池发电厂的研究，其中2/3用于MCFC的发展，1/3用于SOFC的发展。美国MCFC技术的开发一直以来主要由两大公司承担，ERC(EnergyResearchCorporation)(现为FuelCellEnergyInc)和M-CPower公司。他们用不同的方式建造MCFC反应堆。两家公司都已进入现场演示阶段:ERC1996已对加利福尼亚州圣克拉拉的一座2MW MCFC发电站进行了实证测试，并正在寻找测试3MW设备的场地。ERC的MCFC燃料电池在电池内没有燃料气体的情况下进行重整，没有单独的重整器。根据测试结果，ERC对电池进行了重新设计，将电池改为250kW的单体电池堆，而不是原来的125kW的电池堆，这样3MW的MCFC就可以安装在0.1英亩的场地上，降低了投资成本。预计ERC将提供3MW设备，设备成本为$1200/kW。这接近于小型燃气涡轮发电机的设备成本$65，438+0，000/kW。而小型燃气发电效率只有30%，存在废气排放和噪音问题。与此同时，美国M-CPower公司已经在加州圣地亚哥的海军航空站进行了250kW装置的测试，并计划在同一地点测试和改进75kW装置。M-CPower公司正在开发500kW模块，并计划于2002年开始生产。
日本对MCFC的研究始于1981年的“月光计划”，1991年后转向聚焦。燃料电池每年支出12-15亿美元，政府在1990中追加2亿美元。电池堆的功率在1984是1kW，在1986是10kW。日本既研究内变又研究外变技术，30kW间接内变MCFC于1991年投入试运行。1992 50-100kW试运行。1994年，两台100kW、电极面积1m2的MCFC分别由日立和石川岛完成，带压改造。此外，中央电力公司生产的1MW外重整MCFC正在川越热电厂安装。据预测，当使用天然气作为燃料时，热电效率将大于45%，使用寿命将大于5000小时..三菱电机与美国ERC公司合作开发的内重整30kWMCFC已运行10000小时..三洋还开发了30kW内部重整MCFC。石川岛钻磨重工拥有世界上最大面积的MCFC燃料电池堆，其试验寿命达到了13000h·h..为了促进MCFC的研发，日本在1987成立了MCFC研究会，负责燃料电池堆运行、电厂外围设备和系统技术等方面的研究。已加入14部队成为日本研发主力。
早在1989年，欧洲就制定了1焦耳计划，目标是建立环境污染少、分散安装、200MW功率的“第二代”电厂，包括MCFC、SOFC和PEMFC，并将任务分配到各个国家。对MCFC的研究主要在荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙进行。荷兰对MCFC的研究从1986开始，1kW级电池堆是1989年研制的；10kW级外转换型和1kW级内转换型电池堆在1992测试，煤气化和煤气化在1995测试。意大利在1986年开始实施MCFC国家研究计划，在1992+0994年开发了50-100kW电池堆。意大利安索多公司与国际金融公司就MCFC技术签署协议，已安装一套单体电池自动化生产设备(面积1m2)，具备年生产能力。德国MBB公司在1992年完成了10kW外转换技术的研发。在ERC的协助下，在1992 -1994进行了100kW和250kW电池组的制造和运行试验。现在，MBB拥有世界上最大的280千瓦电池组。
数据显示，MCFC与其他燃料电池相比具有独特的优势:
A.发电效率高于PAFC；
b、不需要昂贵的铂作为催化剂，制造成本低；
C.一氧化碳可以用作燃料；
D.由于MCFC的工作温度为600-1000℃，排出的气体可用于供热或与汽轮机联合发电。如果热电联产，效率可以提高到80%；
E.比较几种发电方式，负荷指数大于45%时，MCFC发电系统成本最低。与PAFC相比，虽然MCFC的初期投资较高，但PAFC的燃料成本远高于MCFC。当发电系统是中小型分散时，MCFC的经济性更为突出；
MCFC的结构比PAFC的简单。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
SOFC由通过陶瓷如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)提供能量的电解质和通过多孔材料提供能量的燃料和空气电极组成。空气中的氧在空气电极/电解质界面被氧化，在空气和燃料的氧差的作用下在电解质中移动到燃料电极侧，并在燃料电极电解质界面与氢或一氧化碳反应生成水蒸气或二氧化碳并释放电子。电子通过外电路，再次回到空气电极，这时就产生了电。
SOFC的特点如下:
由于高温运行(600-1000℃)，通过设置底循环，可获得效率超过60%的高效发电。
因为氧离子在电解质中运动，所以CO和煤气化气体也可以用作燃料。
因为电池本体的材料都是固体，所以没有电解液的蒸发和流动。此外，燃料电极和空气电极不会被腐蚀。l操作温度高，可进行甲烷等内改性。
与其他燃料电池相比，发电系统简单，可以期待从小容量的设备向大型设备发展，用途广泛。
在固定电站领域，SOFC比PEMFC有明显的优势。SOFC很少需要处理燃料，内部重整、内部热集成和内部歧管使系统设计更简单，SOFC、燃气轮机等设备也容易进行高效热电联产。下图是世界上第一个由西门子西屋公司开发的SOFC和燃气轮机混合电站。2000年5月安装在加州大学，功率220kW，发电效率58%。未来SOFC/燃气轮机发电效率将达到60-70%。
SOFC被称为第三代燃料电池，正在积极研发中，是新兴的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，美国西屋电气公司在其中发挥了特别重要的作用，成为SOFC研究最权威的机构。早在1962年，西屋电气公司就在SOFC试验装置中使用甲烷作为燃料获得电流，并指出碳氢燃料在SOFC必须完成催化转化和电化学反应两个基本过程，为SOFC的发展奠定了基础。随后的10年，公司与OCR合作，连接了400个小型圆柱形ZrO _ 2-Cao电解质，试制了100W电池，但这种形式不适用于大型发电装置。20世纪80年代以后，为了开辟新能源，缓解石油资源短缺带来的能源危机，SOFC研究蓬勃发展。美国西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC电解液和电极薄膜的制备过程中，将电解液层的厚度降低到微米级，显著提高了电池的性能，从而在SOFC的研究中翻开了新的一页。在20世纪80年代中后期，它开始研究高功率SOFC电池组。1986，400W管式SOFC电池组在田纳西州成功运行。
燃料电池
此外，美国其他一些部门在SOFC也有一定的实力。位于匹兹堡的PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地。拥有SOFC电池组件加工、电池组装、电池质量检测成套设备，是全球最大的SOFC技术研发中心。1990年，该中心为美国DOE制造了一台20kW的SOFC装置，该装置以管道煤气为燃料，已连续运行超过1700小时。同时，该中心还为东京大阪煤气公司和关西电力公司提供了两套25kW SOFC试验装置，其中一套是热电联产装置。此外，美国argon国家实验室还研究开发了层压波纹板SOFC电池堆，并开发了适合这种结构材料成型的浇铸法和压延法。电池的能量密度显著提高，这是一种有前途的SOFC结构。在日本，SOFC研究是“月光计划”的一部分。早在1972，电子综合技术研究所就开始研究SOFC技术，后来加入了“月光计划”的研发行列。1986年研制出500W圆管SOFC电池组，形成1.2kW发电装置。东京电力公司和三菱重工从1986到65438+2月开始开发圆管SOFC装置，获得了输出功率为35 W的单体电池，在电流密度为200mA/cm2时，电池电压为0.78V，燃料利用率达到58%。1987年7月，电力开发公司与这两家公司合作开发了1kW SOFC电池组，连续试运行1000h，最大输出1.3kW，关西电力公司、东京燃气公司、大阪燃气公司等机构从美国西屋电气公司进口了3kW和2.5kW管式SOFC电池组，取得了满意的效果。从1989开始，东京燃气公司也开始研发大面积平板SOFC装置。1992年6月，100W的平板SOFC器件完成，电池有效面积达到400cm2。目前，富士和三洋公司开发的平板SOFC功率已达到千瓦级。此外，中央电力公司与三菱重工合作，从1990开始研究和综合评价叠层波纹板SOFC系统，并开发了406W试验装置。该装置单节电池的有效面积达到131cm2。
在欧洲，早在20世纪70年代，联邦德国海德堡中央研究院就研制出圆管或半圆管电解质结构的SOFC发电装置，单体电池运行良好。20世纪80年代后期，在美日的影响下，欧共体积极推动SOFC在欧洲的商业化。德国西门子、DomierGmbH和ABB研究公司致力于开发千瓦级平板SOFC发电装置。西门子还与荷兰能源中心(ECN)合作开发了有效电极面积为67cm2的开板式SOFC电池。ABB研究公司在1993中开发了一种改进的平板千瓦SOFC发电装置。电池为金属双极结构，实验在800℃下进行，效果良好。现在我们正在考虑把它做成一个25 ~ 100 kW的SOFC发电系统，供家用或商用。