燃料電池技術(shù)倪維斗教授（院士）清華大學(xué)熱能工程系2009年7月燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動(dòng)力設(shè)備燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1:反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞2:電化學(xué)反應(yīng)3:離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)4:產(chǎn)物排出燃料電池基本原理燃料電池的燃料處理系統(tǒng)水蒸氣發(fā)生器燃料脫硫器重整器CO轉(zhuǎn)化器CO去除器重H2：72%整CO2：20%氣CO：100ppm氧氣燃料處理系統(tǒng)有很多種，以天然氣重整為例介紹脫硫器：采用活性碳、沸石等吸附劑或者用氫氣與硫反應(yīng)來(lái)脫硫重整器：在高溫下(700℃)與催化劑反應(yīng)得到以氫為主的重整氣轉(zhuǎn)化器：CO+H2O→H2+CO2（300～400℃）去除器：CO+?O2→CO2（150～200℃）燃料處理系統(tǒng)燃料電池特性——良好的環(huán)境相容性不同發(fā)電廠排氣的比較（kg/106

kWh）不同發(fā)電裝置的噪聲比較排氣中污染物天然氣火力發(fā)電石油火力發(fā)電煤火力發(fā)電磷酸燃料電池二氧化硫2.5～2304550～109008200～145000～0.12氮氧化物18003200320063～107烴

類(lèi)20～1270125～500030～1000014～102粉

塵0～9045～320365～5800～0.014Source:肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池特性——靈活可靠的輸出性能燃料電池工作時(shí)將燃料儲(chǔ)存的能量一半轉(zhuǎn)化為電，另一半轉(zhuǎn)化為熱。各種發(fā)電方式在不同規(guī)模時(shí)的效率Source:肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音小沒(méi)有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率若以氫為燃料，排放是水，可實(shí)現(xiàn)“零排放”各種類(lèi)型燃料電池的比較選項(xiàng)SOFC(固體氧化物)MCFC(熔融碳酸型)AFC(堿液型)PAFC(磷酸型)PEMFC(質(zhì)子交換膜)優(yōu)點(diǎn)燃料適應(yīng)性廣采用非貴金屬作為催化劑高品位余熱可用于熱電聯(lián)供固體電解質(zhì)較高的功率密度燃料適應(yīng)性廣使用非貴金屬催化劑高品位余熱可用于熱電聯(lián)供陰極性能得到改善可以不使用貴金屬作為催化劑材料成本低，電解質(zhì)成本非常低廉電解質(zhì)價(jià)廉，使用酸性的電解液能夠直接使用烴類(lèi)化合物轉(zhuǎn)換的含有CO2的富氫氣體作為燃料技術(shù)成熟可靠性高，長(zhǎng)期運(yùn)行性能好所有燃料電池中功率密度最高較好的起停能力低操作溫度使其更適應(yīng)便攜式應(yīng)用。缺點(diǎn)材料在高溫下運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題密封問(wèn)題電池部件制造成本高CO2必須再循環(huán)熔融碳酸鹽電解質(zhì)具有腐蝕性退化/壽命問(wèn)題材料昂貴必須使用純的H2和O2需周期性地更換KOH電解質(zhì)必須從陽(yáng)極及時(shí)除水電解質(zhì)容易CO2中毒效率只有40%啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)鉑催化劑昂貴對(duì)CO和S中毒敏感電解質(zhì)是有腐蝕性的液體，運(yùn)行時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)充電解質(zhì)采用昂貴的鉑催化劑聚合物膜和輔助組件昂貴經(jīng)常需要水管理非常差的CO和S容許度Source:蔡寧生,燃料電池發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué),2007部分燃料電池產(chǎn)品MTU250kWMCFCinMagdeburg

SiemensWestinghouse250kWSOFC863-燃料電池公共汽車(chē)我國(guó)第一輛PEMFC校園車(chē)Source：清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心，新發(fā)電技術(shù)調(diào)查研究，2008

燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)SOFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)研究陰極材料研究陽(yáng)極材料研究連接體材料研究密封材料研究PEMFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)子交換膜研究催化劑及其涂覆技術(shù)的研究MEA技術(shù)的研究水平衡和熱平衡技術(shù)研究燃料電池發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)以MCFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例燃料的處理問(wèn)題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的相容性問(wèn)題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究大功率發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配問(wèn)題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)部分MCFC燃料電池電廠美國(guó)FCE公司2004年前建成的33座MCFC發(fā)電裝置；美國(guó)ERC公司2006年在舊金山建成的250kWMCFC電站；美國(guó)ERC公司2006年在加州SantaClara建成的2MWMCFC電站；日本三菱重工2002年在德國(guó)建造的250kWMCFC電站；日本1987年開(kāi)發(fā)出的10kWMCFC發(fā)電裝置；日本1993年開(kāi)發(fā)出的100kW加壓型MCFC發(fā)電裝置；日本1998年建造的1MW先導(dǎo)型MCFC發(fā)電裝置；意大利1996年在米蘭投運(yùn)的100kWMCFC電站；德國(guó)M-CRowerCorporation建造的MCFC電站；部分SOFC燃料電池電廠美國(guó)Westinghouse公司1998年前建成11套3~25kWSOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國(guó)Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；德國(guó)SiemensWestinghouse公司2002年建成220kWSOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；德國(guó)SiemensWestinghouse公司2003年建成250kWSOFC示范電廠；德國(guó)SiemensWestinghouse公司2003年建成4座5kWSOFC電廠；日本三菱重工1991年成功示范1kWSOFC電池堆；日本三菱重工1993年成功示范新型1kWSOFC電池堆；日本三菱重工1998年示范10kWSOFC系統(tǒng)；日本三菱重工2001年成功示范10kW加壓管式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；日本JGU公司1995年支持示范的25kWSOFC發(fā)電裝置；瑞士SulzerHexis公司2001年起400套1kW生物質(zhì)SOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國(guó)ZTEK公司1995年示范運(yùn)行1kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；美國(guó)ZTEK公司1998年示范運(yùn)行25kW平板式SOFC發(fā)電系統(tǒng)；中國(guó)上海硅酸鹽研究所示范的5kW平板式中溫SOFC電廠；中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程所示范的列管式不密封無(wú)聯(lián)接極SOFC發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)展的熱潮上世紀(jì)90年代直到本世紀(jì)初，燃料電池得到政府、企業(yè)和科研所的大力支持，形成一股熱潮。在97到98年間，各大汽車(chē)公司都宣布將在03到05年實(shí)現(xiàn)氫能燃料電池的產(chǎn)業(yè)化我國(guó)跟隨著這個(gè)熱潮，投入大量的人力和物力，進(jìn)行研究，把氫能燃料電池奉為“最高理想”、“終極目標(biāo)”十五863重點(diǎn)項(xiàng)目，投入十幾個(gè)億前幾年，不少人提出氫能經(jīng)濟(jì)，把氫能比作是一個(gè)新的能源時(shí)代燃料電池發(fā)展的困難隨著人們對(duì)燃料電池的認(rèn)識(shí)加深，在研制過(guò)程中遇到大量的，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)無(wú)法克服的困難，尤其是氫的制備，氫的運(yùn)輸，氫的車(chē)載，人們慢慢理性化起來(lái)，對(duì)它的“溫度”也逐漸下降不久以前，作為燃料電池最熱烈的鼓吹者——美國(guó)，在奧巴馬上臺(tái)以后，能源部長(zhǎng)朱棣文宣布停止資助氫能燃料電池項(xiàng)目限制燃料電池發(fā)展的瓶頸氫氣制備氫不是一次能源，而只是一個(gè)載能體，必須用其他方法制備氫，如電解、天然氣制氫、煤制氫等。在氫能制備中消耗許多其他的能源，排放大量二氧化碳，從全生命周期來(lái)看，根本不是零排放能源有些人把氫燃料電池說(shuō)成是“FromWaterToWater”，這是不正確的管道運(yùn)輸極易泄露、材料氫脆存儲(chǔ)問(wèn)題高壓存儲(chǔ)（300~600atm）——壓縮能耗高，不安全液化存儲(chǔ)（-253℃）——制冷能耗大限制燃料電池發(fā)展的瓶頸氫能基礎(chǔ)設(shè)施根本不可能組成一個(gè)像加油站一樣的網(wǎng)絡(luò)燃料電池本身用鉑作催化劑——鉑在全世界資源有限價(jià)格——一輛燃料電池大巴的價(jià)格為150到200萬(wàn)美元燃料電池的壽命膜的制