燃料電池

燃料電池

燃料電池(FuelCell)的概念1839年由G.R.Grove提出,是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。2014年2月19日據物理學家組織網報導,美國科學家開發出一種直接以生物質為原料的低溫燃料電池。

基本信息

發展

燃料電池燃料電池
《中國燃料電池行業市場研究與投資預測分析報告前瞻》顯示。由於發電機和電極過程動力學的研究未能跟上,燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展,英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代,這種電池成功地套用於阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始,氫氧燃料電池廣泛套用於宇航領域,同時,兆瓦級的磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始,各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到套用。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能,直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時,它可以連續發電。依據電解質的不同,燃料電池分為鹼性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池不受卡諾循環限制,能量轉換效率高,潔淨、無污染、噪聲低,模組結構、積木性強、比功率高,既可以集中供電,也適合分散供電。

簡介

燃料電池十分複雜,涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等學科的有關理論,具有發電效率高、環境污染少等優點。總的來說,燃料電池具有以下特點:能量轉化效率高;它直接將燃料的化學能轉化為電能,中間不經過燃燒過程,因而不受卡諾循環的限制。[2]燃料電池系統的燃料—電能轉換效率在45%~60%,而火力發電和核電的效率大約在30%~40%。安裝地點靈活;燃料電池電站占地面積小,建設周期短,電站功率可根據需要由電池堆組裝,十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分散式電站,或是作為小區、工廠、大型建築的獨立電站都非常合適。負荷回響快,運行質量高;燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率。

歷史

料電池。燃料電池的原理由德國化學家尚班(ChristianFriedrichSchÖnbein)於1838年提出,並刊登在當時著名的科學雜誌。基於尚班的理論英國物理學家威廉‧葛洛夫於1839年2月把理論證明刊登於PhilosophicalMagazineandJournalofScience,其後又把燃料電池設計草圖於1842年刊登。當時的設計類似現今的磷酸燃料電池

1955年,一位為通用電氣工作的化學研究員W.ThomasGrubb,進一步設計以磺化聚苯乙烯離子交換膜作電解質,改良原始燃料電池。三年後,通用電氣的另一位化學研究員LeonardNiedrach,想出了將鉑沉積在膜上面,鉑是氫氣進行氧化反應和氧氣進行還原反應必需的催化劑,成為名的“Grubb-Niedrach燃料電池”。
隨即通用電氣就和美國國家航空航天局及麥克唐納飛行器公司空發展這項技術,套用於雙子星計畫(ProjectGemini),這是燃料電池的第一個商業上的套用。直到1959年,英國的工程師法蘭西斯·湯瑪士·培根(FrancisThomasBacon)和它的同事們才成功地展示出第一具輸出功率達5千瓦的實用級燃料電池系統。同年,伊律格(HarryKarlIhrig)團隊也製造出以15千瓦功率的燃料電池驅動的牽引車。1960年,普惠公司獲得培根專利的許可,將燃料電池當作太空計畫中電力和水的來源。在1991年,羅傑‧比林期(RogerBillings)發明世界首個用於汽車的氫-氧燃料電池。
美國聯合技術公司的UTCPower1部門是第一個製造商用,大型固定燃料電池的公司,其產品可當做醫院、大學、大型辦公大樓的動力來源,UTCPower持續也在市場上推出功率達200千瓦燃料電池-PureCell200,現被400千瓦取代-PureCellModel400。UTCPower也是美國國家航空航天局在進行太空探索方面唯一的燃料電池供應者,曾將其燃料電池套用於太陽神計畫和太空穿梭計畫,而且也往汽車、公共巴士、手機等方面發展,該公司也展示了第一個質子交換膜的燃料電池汽車,在酷寒的狀態下仍能適用。
在1960年代幾次的太空任務中,燃料電池用於驅動登月探險車及供應太空人飲用水,均證明了它的實用性。近年來,因為化石燃料造成的能源危機與環保意識的抬頭,令燃料電池的發展日趨頻繁。

原理

燃料電池其原理是一種電化學裝置,其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部,因此,限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質,只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時,燃料和氧化劑由外部供給,進行反應。原則上只要反應物不斷輸入,反應產物不斷排除,燃料電池就能連續地發電。

設計

燃料電池近來許多品種,但是,它們都在相同的一般方式工作。他們的三個相鄰段組成:陽極、電解質和陰極。兩個化學反應發生在三個不同階層的接口。兩種反應的淨結果是燃料的消耗、水或二氧化碳創建,和電流創建的它可以用於電氣設備,通常稱為負載的電源。

在陽極上一種催化劑氧化燃料,通常氫氣,燃料變成一個正電荷的離子和一個負電荷的電子。電解液是專門設計所以離子可以通過它,但電子不能的物質。已釋放的電子穿過創建電流的線。離子通過電解液前往陰極。一旦達到陰極,離子與電子團聚,這兩個與第三的化學品,通常氧氣,來創建水或二氧化碳反應。
在燃料電池中較重要的設計功能是:

電解質物料。電解質通常用作定義燃料電池的類型。
使用的燃料。最常見的燃料是氫氣,其主要成分為H2,和天然氣,其主要成分是甲烷(CH4),等燃料。
陽極催化劑、分解成電子和離子燃料。陽極催化劑通常由極細的鉑粉。
陰極催化劑、離子變成像水或二氧化碳的廢物的化學物質。陰極催化劑往往組成的,但它也可以是基於納米材料的催化劑。

典型的燃料電池產生的電壓從0.6V至0.7V於全額定負荷。以下是在電流上升而電壓下降的幾個原因:
過電位
歐姆損失(電壓下降由於電池元件耐和互連)
大規模運輸損失(催化劑網在高負荷、快速造成電壓下反應物的損耗)
提供所需量的能源,燃料電池可以以串聯和並聯電路組成,系列收益率較高的電壓和並行允許更高的電流供應的。這種設計被稱為燃料電池堆。可以增加電池表面面積,以允許更高電流從每個儲存格。

類型匯總

燃料電池在人們印象里通常指的是氫燃料電池,但實際上現有的燃料電池技術十分多樣,在電動汽車、家庭取暖和工業生產都有廣泛的套用。由該表格可見,燃料電池除了可以以氫氣為燃料,還可使用多種含正價氫元素的氣體作為燃料。

簡稱 燃料電池類型
電解質 工作溫度(℃) 電化學效率 燃料、氧化劑 功率輸出
AFC 鹼性燃料電池 氫氧化鉀溶液 室溫-90 60-70% 氫氣、氧氣 300W-5KW
PEMFC 質子交換膜
燃料電池
氫氧化鉀溶液 室溫-80 40-60% 氫氣、氧氣(或空氣) 1KW
DMFC 甲醇燃料電池 質子交換膜 室溫-130 20-30% 甲烷、氧氣(或空氣) 1KW
PAFC 磷酸燃料電池 磷酸 160-220 55% 天然氣、沼氣、雙氧水、空氣 200KW
MCFC 熔融碳酸鹽
燃料電池
鹼金屬碳酸鹽熔融混合物 620-660 65% 天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣 2MW-10MW
SOFC 固體氧化物
燃料電池
氧離子導電陶瓷
800-1000 60-65% 天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣 100KW

特點

(圖)最小的燃料電池最小的燃料電池

燃料電池作為第四種發電方式的裝置,與其他幾種發電方式比較起來有以下幾個主要優點:
(1)燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應直接將化學能轉變成電能,沒有中間的能量轉化環節,因而這種發電方式能量轉化效率可高達50%。還可回收發電過程中產生的餘熱。若把產生的餘熱再用於發電或供暖、供水等,綜合考慮效率能達到80%。
(2)燃料電池發電過程,機械部件很少,噪聲低;化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔淨的氣體,不會污染環境。在環境污染日趨嚴重的今天,燃料電池的這個優點尤其可貴。
(3)燃料電池中所使用的燃料,既可是天然氣、煤氣和液化燃料,也可以是甲醇沼氣乃至木柴。可根據不同地區的具體情況,選用不同的燃料用於燃料電池的發電系統,這可廣開燃料來源途徑,緩解能源緊張。
(4)燃料電池從中斷運轉到再啟動,輸電能力回升速度快,並可在短時間內增加和減少電力輸出。因此將這種發電系統與其他輸電網連線使用最為有利,可隨時補充電網在用電高峰時所需的部分電能。
(5)燃料電池本身為一個“組合體”,所用部件可事先在工廠生產,然後組裝;它的體積小,拆裝都很方便,這可節省建電站的時間。

價值評估

燃料電池運行時必須使用流動性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣,高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢?我國的天然氣儲量是十分豐富的,現已探明陸地上儲量為1.9萬億m3,專家認為我國已探明天然氣儲量為30萬億m3。中國還將利用豐富的鄰國天然氣資源,俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲量為38.6萬億m3,可向我國年供氣200~300億m3;俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲量3.13萬億m3,可向我國年供氣100~200億m3;俄遠東地區、薩哈林島探明天然氣儲量1萬億m3,可向我國東北年供氣100億m3以上。中亞地區的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦三國探明的天然氣儲量6.77萬億m3,可向外供氣300億m3。我國規劃在2010年以前鋪設天然氣管線9000km,屆時有望在全國形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”的格局,形成可靠的供氣系統。其中的兩縱是南北的輸氣幹線,即薩哈林島--大慶--瀋陽幹線和伊爾庫茨克--北京--日照--上海輸氣幹線。目前我國的生產能力約為300億m3/a,2010年為700億m3,2020年為1000~1100億m3。天然氣主要成分為CH4(占90%左右),熱值高(每立方米天然氣熱值為8600~9500千卡),便於運輸,在3000公里的距離內運用管道輸送都是十經濟的。
經濟性
燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低,PEMFC的中國國外商業價格為$1500/kW,PAFC的價格為$3000/kW。中國國內富源公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW。其他燃料電池國內暫無商業產品。
燃料電池發電與常規的火電投資比較不能單考慮電源投資,還應將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉換裝置的效率考慮在內。如此來計算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬元。發電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上,按目前在中國天然氣最低市價(產地市價人民幣1元/m3)計算,當發電時間超過70000h以後,用燃料電池發電將比用傳統的熱機發電更經濟。在實際發電工程中還應考慮傳統的熱機發電占地面積大,環境污染重的問題。隨著燃料電池發電技術的不斷完善,造價將不斷的降低,特別是在規模化生產後,其造價將大幅度的下降,有理由相信,不久的將來這種發電方式會對傳統熱機發電構成挑戰。

套用

電力

固定燃料電池被用於商業、工業及住宅主要和備份能發電。燃料電池是作為動力源在遠端位置,如航太器、遠端氣象站、大型公園、通訊中心、農村處地點,包括研究站和某些軍事套用程式中非常重要。運行簡單且輕量的氫-氧燃料電池系統,沒有重大的部件需要移動。由於燃料電池沒有移動部件,而且發電不涉及燃燒,在理想的情況他們可以實現起來,具99.9999%的可靠性。相當於六年產電運行其當中有不多於一分鐘的停機時間。因為燃料電池的電解槽系統本身,不存儲燃料,而是依賴於外部存儲單元,他們可以成功套用在大型能源存儲中,設定農村地區是一個例子。

有許多不同類型的固定式燃料電池,所以效率而異,但多數40%至60%的能源效率。然而,當燃料電池餘熱用於熱電聯產系統中熱建築時這種效率可以增加到85%。這是明顯比傳統的煤電廠,是只有約三分之一的能源效益效率更高。假設在規模、生產燃料電池可以節省20-40%的能源成本,當用於熱電聯產系統時,燃料電池也比傳統發電更乾淨,因為氫源每個將產出1,000千瓦小時(kWh)能量。同時,相比25磅的常規燃燒系統產生的污染物,燃料電池比常規燃煤電廠產生的氮氧化物排放量少97%。
現時,可口可樂谷歌沃爾瑪思科宜家雀巢日產金百利和更多國際企業安裝或轉了燃料電池,以抒緩他們的能源需求,可見燃料電池的發電效率及環保性在國際上得到認同。另有一個試點方案在華盛頓州的斯圖爾特島上操作,那裡斯圖爾特島能源倡議建立了一個完整的閉環系統:太陽能電池板電源電解槽使得氫存儲在200磅/平方英寸(1,400kPa)壓力的500美國加侖(1,900L)儲存搭中,並運行ReliOn燃料電池來提供離網住宅的全電動後備。而在紐約州亨普斯特德,有另一個封閉的系統循環2011年底公布發展。

熱電聯產(CHP)

熱電聯產(CHP)燃料電池系統,包括微型熱電聯產(Microcombinedheatandpower,MicroCHP)系統的使用,為家庭,辦公樓和工廠同時產生電能和熱能(見家用燃料電池,homefuelcell)。系統生成恆定電力(把沒有被消耗的多餘的電力返回到電網),並在同一時間從餘熱中產生熱空氣和熱水。MicroCHP通常小於5KWe給家用燃料電池或小型企業。

燃料電池餘熱可以在夏季直接注入地下提供進一步冷卻餘熱,而在冬季可以直接注入建築物。明尼蘇達大學擁有對這種類型系統的專利權。
熱電聯產系統可以達到85%的效率(60%是電+其餘是熱)。磷酸燃料電池(PAFC)構成了在現有CHP中在全球的最大部分,和可以提供接近90%的聯合效率。熔融碳酸鹽(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)也用於供熱和發電的聯產,並有電氣能源約60%的效率 。

燃料電池車(FCEVs)

汽車

雖然目前還沒有可供商業銷售的燃料電池車,自2009年以來已發布超過了20類型的FCEVs的原型和示範車。示範車型包括本田的FCXClarity,豐田的FCHV-ADV,馬賽地-賓士的F-CELL。在2011年6月的示範FCEVs行駛超過了4,800,000公里(3,000,000英里)的里程,重新加注燃料超過27,000次。示範燃料電池車已經能夠“在重新加燃料之間的續駛里程超過400公里(250英里)”。它們可以在小於5分鐘的時間內完成重新加燃料。

一些專家認為燃料電池汽車將永遠不會成為與其他技術相比具經濟競爭力,或將需要幾十年來讓它們變得有利可圖。在2011年7月,通用汽車CEO和總裁DanielAkerson表示,儘管氫燃料電池車的成本正在下降:“氫燃料電池汽車仍然是太貴了,它可能並不實際直到2020年以後,我不知道”。
巴士

在世界上今天有超過100部燃料電池巴士運行。大部分燃料電池巴士是由UTCPower,豐田(Toyota),Ballard,Hydrogenics和ProtonMotor等公司生產。UTC巴士已經積累了超過600,000mi(970,000km)的行駛距離。燃料電池巴士比柴油和天然氣巴士的燃料經濟性要高出39–141%。
燃料電池巴士已經部署在世界各地:加拿大Whistler;美國舊金山;德國漢堡;中國上海;英國倫敦;巴西聖保羅;和其他地方。燃料電池巴士俱樂部是一個全球性的合作努力,在試驗的燃料電池公共汽車。有影響的項目包括:
燃料電池巴士部署加州的Oakland和舊金山灣區。
在2007年一月,DaimlerAG,36部BallardPowerSystems的燃料電池巴士實驗巴士已經成功完成了一個在11個城市的三年的試運行。
在加州的Thor巴士車隊使用了UTCPower燃料電池,由sunlineTransitAgency交通公司運行。

叉車

燃料電池為動力的叉車是燃料電池在工業套用內最大的部門之一。用於材料搬運的大多數燃料電池是質子交換膜燃料電池提供動力,但也有一些直接甲醇燃料叉車進入市場。目前正在運營的燃料電池車隊有大量的公司,包括西斯科食品,聯邦快遞貨運,GENCO(Wegmans的,可口可樂,金佰利,和WholeFoods),和H-E-B雜貨店的。

機車和腳踏車類

在2005年,英國的智慧型能源公司(IntelligentEnergy)生產的第一個氫氣運行機車ENV(中性排放車)。機車有足夠運行4小時的燃料,並且以80km/h(50mph)的速度在市區行駛了100英里(160km)。在2004年本田利用本田燃料電池堆開發了一種燃料電池機車。還有其他幾個腳踏車例子和腳踏車例子使用了氫氣燃料電池引擎。
在2007年中國上海,PearlhydrogenpowersourcetechnologyCo.,ltd公司展示了氫腳踏車,在第9屆中國國際燃油技術裝備和套用展示會。

飛機

在2008年2月,波音公司的研究人員和在歐洲產業合作夥伴進行的飛行試驗,試飛了由燃料電池和輕型電池供電的載人飛機。這架所謂燃料電池演示者(FuelCelldemonstrator)飛機,使用了質子交換膜(PEM)的燃料電池/鋰離子電池的混合動力系統的電動馬達,電動馬達被耦合到常規的螺鏇槳。2003年,世界上第一個完全由燃料電池供電的螺鏇槳驅動的飛機飛行。它的燃料電池是一個獨特的FlatStackTM的堆疊的設計,這允許所述燃料電池被集成在空氣動力學表面之下。
現在已經有了幾個燃料電池為動力的無人飛行器(UAV)。在2007年,一個Horizen燃料電池的小型無人機,創下無人機飛行距離的記錄。軍事上特別感興趣這種套用,原因是它是低噪音,低散熱,可以飛到高海拔。2009年,美國海軍研究實驗室(NRL)的離子虎(IonTiger)利用氫為動力的燃料電池,飛行了23小時17分鐘。波音公司正在完成試驗的幽靈之眼(PhantomEye),具有高空長航時(HALE),可用於飛行在20,000m(65,000ft)並有多達4天的時間進行研究和監測。燃料電池也被用來提供飛機的輔助動力,以取代化石燃料發電機,和以前用於啟動發動機和飛機上電器的電力需求。燃料電池可以幫助飛機減少二氧化碳CO2和其他污染物的排放和噪音。

船隻

世界第一艘經公證的燃料電池船HYDRA,在德國萊比錫市世界上第一個燃料電池船HYDRA使用了AFC系統,用6.5kw的輸出。冰島一直致力於到2015年將其龐大的捕魚船隊使用的燃料電池提供輔助動力,並最終提供船上的主要動力。阿姆斯特丹最近推出了其第一個燃料電池為動力的船,提供給市內周圍觀賞著名的和美麗的運河的遊客。

潛艇

德國和義大利海軍的212型潛艇的使用燃料電池的連續下潛幾星期而不需要浮出水面。
U212A是一個無核動力的潛艇,由德國海軍造船廠Howaldtswerke船廠開發的。該系統由9個質子交換膜燃料電池,每個可以提供30kW和50kW之間。潛艇的靜音給它檢測其他潛艇的一個優勢。

發展

國內現狀

燃料電池燃料電池
在中國的燃料電池研究始於1958年,原電子工業部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業的推動下,中國燃料電池的研究曾呈現出第一次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研製成功的兩種類型的鹼性石棉膜型氫氧燃料電池系統(千瓦級AFC)均通過了例行的航天環境模擬試驗。1990年中國科學院長春套用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務,1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池(DMFC)的研究。電力工業部哈爾濱電站成套設備研究所於1991年研製出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。“八五”期間,中科院大連化學物理研究所、上海矽酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學等國內十幾個單位進行了與SOFC的有關研究。到90年代中期,由於國家科技部與中科院將燃料電池技術列入"九五"科技攻關計畫的推動,中國進入了燃料電池研究的第二個高潮。在中國科學工作者在燃料電池基礎研究和單項技術方面取得了不少進展,積累了一定經驗。但是,由於多年來在燃料電池研究方面投入資金數量很少,就燃料電池技術的總體水平來看,與已開發國家尚有較大差距。我國有關部門和專家對燃料電池十分重視,1996年和1998年兩次在香山科學會議上對中國燃料電池技術的發展進行了專題討論,強調了自主研究與開發燃料電池系統的重要性和必要性。近幾年中國加強了在PEMFC方面的研究力度。2000年大連化學物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車用用燃料電池的全部試驗工作。北京富原公司也宣布,2001年將提供40kW的中巴燃料電池,並接受訂貨。科技部副部長徐冠華在EVS16屆大會上宣布,中國將在2000年裝出首台燃料電池電動車。此前參與燃料電池研究的有關概況如下:
1:PEMFC的研究狀況
中國最早開展PEMFC研製工作的是長春套用化學研究所,該所於1990年在中科院扶持下開始研究PEMFC,工作主要集中在催化劑、電極的製備工藝和甲醇外重整器的研製已製造出100WPEMFC樣機。1994年又率先開展直接甲醇質子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國CaseWesternReserve大學和俄羅斯氫能與電漿研究所等建立了長期協作關係。中國科學院大連化學物理所於1993年開展了PEMFC的研究,在電極工藝和電池結構方面做了許多工作,現已研製成工作面積為140cm2的單體電池,其輸出功率達0.35W/cm2。
復旦大學在90年代初開始研製直接甲醇PEMFC,主要研究聚苯並咪唑膜的製備和電極製備工藝。廈門大學與香港大學和美國的CaseWesternReserve大學合作開展了直接甲醇PEMFC的研究。
1994年,上海大學與北京石油大學合作研究PEMFC(“八五”攻關項目),主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的製備工藝。
北京理工大學於1995年在兵器工業部資助下開始了PEMFC的研究,單體電池的電流密度為150mA/cm2。
中國科學院工程熱物理研究所於1994年開始研究PEMFC,主營使用計算傳熱和計算流體力學方法對各種供氣、增濕、排熱和排水方案進行比較,提出改進的傳熱和傳質方案。
天津電源研究所1997年開始PEMFC的研究,擬從國外引進1.5kW的電池,在解析吸收國外先進技術的基礎上開展研究。
1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進行PEMFC的研製與開發,5kW的PEMFC樣機現已研製成功並開始接受訂貨。
2:MCFC的研究簡況
在中國開展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設備研究所在80年代後期曾研究過MCFC,90年代初停止了這方面的研究工作。
1993年中國科學院大連化學物理研究所在中國科學院的資助下開始了MCFC的研究,自製LiAlO2微粉,用冷滾壓法和帶鑄法製備出MCFC用的隔膜,組裝了單體電池,其性能已達到國際80年代初的水平。
90年代初,中國科學院長春套用化學研究所也開始了MCFC的研究,在LiAlO2微粉的製備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽極材料等方面取得了很大進展。
北京科技大學於90年代初在國家自然科學基金會的資助下開展了MCFC的研究,主要研究電極材料與電解質的相互作用,提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。
3:SOFC的研究簡況
最早開展SOFC研究的是中國科學院上海矽酸鹽研究所他們在1971年就開展了SOFC的研究,主要側重於SOFC電極材料和電解質材料的研究。80年代在國家自然科學基金會的資助下又開始了SOFC的研究,系統研究了流延法製備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體SOFC結構等,已初步掌握了濕化學法製備穩定的氧化鋯納米粉和緻密陶瓷的技術。吉林大學於1989年在吉林省青年科學基金資助下開始對SOFC的電解質、陽極和陰極材料等進行研究組裝成單體電池,通過了吉林省科委的鑑定。1995年獲吉林省計委和國家計委450萬元人民幣的資助,先後研究了電極、電解質、密封和聯結材料等,單體電池開路電壓達1.18V,電流密度400mA/cm2,4個單體電池串聯的電池組能使收音機和錄音機正常工作。
1991年中國科學院化工冶金研究所在中國科學院資助下開展了SOFC的研究,從研製材料著手製成了管式和平板式的單體電池,功率密度達0.09W/cm2~0.12W/cm2,電流密度為150mA/cm2~180mA/cm2,工作電壓為0.60V~0.65V。1994年該所從俄羅斯科學院烏拉爾分院電化學研究所引進了20W~30W塊狀疊層式SOFC電池組,電池壽命達1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結構、美國Westinghouse的管式結構和德國Siemens板式結構的基礎上,設計了六面體式新型結構,該結構吸收了管式不密封的優點,電池間組合採用金屬氈柔性聯結,並可用常規陶瓷製備工藝製作。
華南理工大學於1992年在國家自然科學基金會、廣東省自然科學基金、汕頭大學李嘉誠科研基金、廣東佛山基金共一百多萬元的資助下開始了SOFC的研究,組裝的管狀單體電池,用甲烷直接作燃料,最大輸出功率為4mW/cm2,電流密度為17mA/cm2,連續運轉140h,電池性能無明顯衰減。

國際現狀

已開發國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目,企業界也紛紛斥以巨資,從事燃料電池技術的研究與開發,已取得了許多重要成果,使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛套用於發電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題,2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產,各等級的燃料電池發電廠相繼在一些已開發國家建成。燃料電池的發展創新將如百年前內燃機技術突破取代人力造成工業革命,也像電腦的發明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命,又如網路通訊的發展改變了人們生活習慣的信息革命。燃料電池的高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。如今,在北美、日本和歐洲,燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模套用的階段,將成為21世紀繼火電、水電、核電後的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視,它已是能源、電力行業不得不正視的課題。
磷酸型燃料電池(PAFC)
受1973年世界性石油危機以及美國PAFC研發的影響,日本決定開發各種類型的燃料電池,PAFC作為大型節能發電技

燃料電池燃料電池
術由新能源產業技術開發機構(NEDO)進行開發。自1981年起,進行了1000kW現場型PAFC發電裝置的研究和開發。1986年又開展了200kW現場性發電裝置的開發,以適用於邊遠地區或商業用的PAFC發電裝置。富士電機公司是日本最大的PAFC電池堆供應商。截至1992年,該公司已向國內外供應了17套PAFC示範裝置,富士電機在1997年3月完成了分散型5MW設備的運行研究。作為現場用設備已有50kW、100kW及500kW總計88種設備投入使用。下表所示為富士電機公司已交貨的發電裝置運行情況,到1998年止有的已超過了目標壽命4萬小時。
東芝公司從70年代後半期開始,以分散型燃料電池為中心進行開發以後,將分散電源用11MW機以及200kW機形成了系列化。11MW機是世界上最大的燃料電池發電設備,從1989年開始在東京電力公司五井火電站內建造,1991年3月初發電成功後,直到1996年5月進行了5年多現場試驗,累計運行時間超過2萬小時,在額定運行情況下實現發電效率43.6%。在小型現場燃料電池領域,1990年東芝和美國IFC公司為使現場用燃料電池商業化,成立了ONSI公司,以後開始向全世界銷售現場型200kW設備"PC25"系列。PC25系列燃料電池從1991年末運行,到1998年4月,共向世界銷售了174台。其中安裝在美國某公司的一台機和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號機,累計運行時間相繼突破了4萬小時。從燃料電池的壽命和可靠性方面來看,累計運行時間4萬h是燃料電池的長遠目標。東芝ONSI已完成了正式商用機PC25C型的開發,早已投放市場。PC25C型作為21世紀新能源先鋒獲得日本通商產業大獎。從燃料電池商業化出發,該設備被評價為具有高先進性、可靠性以及優越的環境性設備。它的製造成本是$3000/kW,將推出的商業化PC25D型設備成本會降至$1500/kW,體積比PC25C型減少1/4,質量僅為14t。2001年,在中國就將迎來第一座PC25C型燃料電池電站,它主要由日本的MITI(NEDO)資助的,這將是我國第一座燃料電池發電站。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術上全球領先,它的套用領域從交通工具到固定電站,其子公司BallardGenerationSystem被認為在開發、生產和市場化零排放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位。BallardGenerationSystem最初產品是250kW燃料電池電站,其基本構件是Ballard燃料電池,利用氫氣(由甲醇、天然氣或石油得到)、氧氣(由空氣得到)不燃燒地發電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業化。BallardFuelCell已經用於固定發電廠:由BallardGenerationSystem,GPUInternationalInc.,AlstomSA和EBARA公司共同組建了BallardGenerationSystem,共同開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過5年的開發,第一座250kW發電廠於1997年8月成功發電,1999年9月送至IndianaCinergy,經過周密測試、評估,並提高了設計的性能、降低了成本,這導致了第二座電廠的誕生,它安裝在柏林,250kW輸出功率,也是在歐洲的第一次測試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進行現場測試,緊接著,在2000年10月通過它的夥伴EBARABallard將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司,向亞洲開拓了市場。在不同地區進行的測試將大大促進燃料電池電站的商業化。第一個早期商業化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置,正在測試。
圖是安裝在柏林的250kWPEMFC燃料電池電站:
在美國,PlugPower公司是最大的質子交換膜燃料電池開發公司,他們的目標是開發、製造適合於居民和汽車用經濟型燃料電池系統。1997年,PlugPower模組第一個成功地將汽油轉變為電力。PlugPower公司開發出它的專利產品PlugPower7000居民家用分散型電源系統。商業產品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃氣發電站面臨挑戰,為了推廣這種產品,1999年2月,PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司,產品改稱GEHomeGen7000,由GEMicroGen公司負責全球推廣。此產品將提供7kW的持續電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價為$1500/kW。他們預計5年後,大量生產的燃料電池售價將降至$500/kW。假設有20萬戶家庭各安裝一個7kW的家用燃料電池發電裝置,其總和將接近一個核電機組的容量,這種分散型發電系統可用於尖峰用電的供給,又因分散式系統設計增加了電力的穩定性,即使少數出現了故障,但整個發電系統依然能正常運轉。在Ballard公司的帶動下,許多汽車製造商參加了燃料電池車輛的研製,例如:Chrysler(克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大眾)和Volvo(富豪)等,它們許多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產的,同時,它們也將大量的資金投入到燃料電池的研製當中,克萊斯勒公司給Ballard公司注入4億5千萬加元用於開發燃料電池汽車,大大的促進了PEMFC的發展。1997年,Toyota公司就製成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車,它由一個25kW的燃料電池和輔助乾電池一起提供了全部50kW的能量,最高時速可以達到125km/h,行程可達500km。這些大的汽車公司均有燃料電池開發計畫,雖然燃料電池汽車商業化的時機還未成熟,但幾家公司已確定了開始批量生產的時間表,Daimler-Benz公司宣布,到2004年將年產40000輛燃料電池汽車。因而未來十年,極有可能達到100000輛燃料電池汽車。
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
50年代初,熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)由於其可以作為大規模民用發電裝置的前景而引起了世界範圍的重視。在這之後,MCFC發展的非常快,它在電池材料、工藝、結構等方面都得到了很大的改進,但電池的工作壽命並不理想。到了80年代,它已被作為第二代燃料電池,而成為實現兆瓦級商品化燃料電池電站的主要研究目標,研製速度日益加快。MCFC的主要研製者集中在美國、日本和西歐等國家。預計2002年將商品化生產。
美國能源部(DOE)2000年已撥給固定式燃料電池電站的研究費用4420萬美元,而其中的2/3將用於MCFC的開發,1/3用於SOFC的開發。美國的MCFC技術開發一直主要由兩大公司承擔,ERC(EnergyResearchCorporation)(現為FuelCellEnergyInc.)和M-CPower公司。他們通過不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現場示範階段:ERC1996年已進行了一套設於加州聖克拉拉的2MW的MCFC電站的實證試驗,正在尋找3MW裝置試驗的地點。ERC的MCFC燃料電池在電池內部進行無燃氣的改質,而不需要單獨設定的改質器。根據試驗結果,ERC對電池進行了重新設計,將電池改成250kW單電池堆,而非原來的125kW堆,這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場地上,從而降低投資費用。ERC預計將以$1200/kW的設備費用提供3MW的裝置。這與小型燃氣渦輪發電裝置設備費用$1000/kW接近。但小型燃氣發電效率僅為30%,並且有廢氣排放和噪聲問題。與此同時,美國M-CPower公司已在加州聖迭戈的海軍航空站進行了250kW裝置的試驗,計畫在同一地點試驗改進75kW裝置。M-CPower公司正在研製500kW模組,計畫2002年開始生產。
日本對MCFC的研究,自1981年"月光計畫"時開始,1991年後轉為重點,每年在燃料電池上的費用為12-15億美元,1990年政府追加2億美元,專門用於MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW,1986年為10kW。日本同時研究內部轉化和外部轉化技術,1991年,30kW級間接內部轉化MCFC試運轉。1992年50-100kW級試運轉。1994年,分別由日立和石川島播磨重工完成兩個100kW、電極面積1m2,加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司製造的1MW外重整MCFC正在川越火力發電廠安裝,預計以天然氣為燃料時,熱電效率大於45%,運行壽命大於5000h。由三菱電機與美國ERC合作研製的內重整30kWMCFC已運行了10000h。三洋公司也研製了30kW內重整MCFC。石川島播磨重工有世界上最大面積的MCFC燃料電池堆,試驗壽命已達13000h。日本為了促進MCFC的開發研究,於1987年成立了MCFC研究協會,負責燃料電池堆運轉、電廠外圍設備和系統技術等方面的研究,它已聯合了14個單位成為日本研究開發主力。
歐洲早在1989年就制定了1個Joule計畫,目標是建立環境污染小、可分散安裝、功率為200MW的"第二代"電廠,包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類型,它將任務分配到各國。進行MCFC研究的主要有荷蘭、義大利、德國、丹麥和西班牙。荷蘭對MCFC的研究從1986年已經開始,1989年已研製了1kW級電池堆,1992年對10kW級外部轉化型與1kW級內部轉化型電池堆進行試驗,1995年對煤制氣與天然氣為燃料的2個250kW系統進行試運轉。義大利於1986年開始執行MCFC國家研究計畫,1992-1994年研製50-100kW電池堆,義大利Ansodo與IFC簽定了有關MCFC技術的協定,已安裝一套單電池(面積1m2)自動化生產設備,年生產能力為2-3MW,可擴大到6-9MW。德國MBB公司於1992年完成10kW級外部轉化技術的研究開發,在ERC協助下,於1992年-1994年進行了100kW級與250kW級電池堆的製造與運轉試驗。現在MBB公司擁有世界上最大的280kW電池組體。
資料表明,MCFC與其他燃料電池比有著獨特優點:
a.發電效率高比PAFC的發電效率還高;
b.不需要昂貴的白金作催化劑,製造成本低;
c.可以用CO作燃料;
d.由於MCFC工作溫度600-1000℃,排出的氣體可用來取暖,也可與汽輪機聯合發電。若熱電聯產,效率可提高到80%;
e.中小規模經濟性與幾種發電方式比較,當負載指數大於45%時,MCFC發電系統成本最低。與PAFC相比,雖然MCFC起始投資高,但PAFC的燃料費遠比MCFC高。當發電系統為中小規模分散型時,MCFC的經濟性更為突出;
f.MCFC的結構比PAFC簡單。
固體氧化物燃料電池(SOFC)
SOFC由用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成。空氣中的氧在空氣極/電解質界面被氧化,在空氣燃料之間氧的分差作用下,在電解質中向燃料極側移動,在燃料極電解質界面和燃料中的氫或一氧化碳反應,生成水蒸氣或二氧化碳,放出電子。電子通過外部迴路,再次返回空氣極,此時產生電能。
SOFC的特點如下:
由於是高溫動作(600-1000℃),通過設定底面循環,可以獲得超過60%效率的高效發電。
由於氧離子是在電解質中移動,所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。
由於電池本體的構成材料全部是固體,所以沒有電解質的蒸發、流淌。另外,燃料極空氣極也沒有腐蝕。l動作溫度高,可以進行甲烷等內部改質。
與其他燃料電池比,發電系統簡單,可以期望從容量比較小的設備發展到大規模設備,具有廣泛用途。
在固定電站領域,SOFC明顯比PEMFC有優勢。SOFC很少需要對燃料處理,內部重整、內部熱集成、內部集合管使系統設計更為簡單,而且,SOFC與燃氣輪機及其他設備也很容易進行高效熱電聯產。下圖為西門子-西屋公司開發出的世界第一台SOFC和燃氣輪機混合發電站,它於2000年5月安裝在美國加州大學,功率220kW,發電效率58%。未來的SOFC/燃氣輪機發電效率將達到60-70%。
被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研製和開發中,它是正在興起的新型發電方式之一。美國是世界上最早研究SOFC的國家,而美國的西屋電氣公司所起的作用尤為重要,現已成為在SOFC研究方面最有權威的機構。早在1962年,西屋電氣公司就以甲烷為燃料,在SOFC試驗裝置上獲得電流,並指出烴類燃料在SOFC內必須完成燃料的催化轉化與電化學反應兩個基礎過程,為SOFC的發展奠定了基礎。此後10年間,該公司與OCR機構協作,連線400個小圓筒型ZrO2-CaO電解質,試製100W電池,但此形式不便供大規模發電裝置套用。80年代後,為了開闢新能源,緩解石油資源緊缺而帶來的能源危機,SOFC研究得到蓬勃發展。西屋電氣公司將電化學氣相沉積技術套用於SOFC的電解質及電極薄膜製備過程,使電解質層厚度減至微米級,電池性能得到明顯提高,從而揭開了SOFC的研究嶄新的一頁。80年代中後期,它開始向研究大功率SOFC電池堆發展。1986年,400W管式SOFC電池組在田納西州運行成功。
燃料電池
另外,美國的其它一些部門在SOFC方面也有一定的實力。位於匹茲堡的PPMF是SOFC技術商業化的重要生產基地,這裡擁有完整的SOFC電池構件加工、電池裝配和電池質量檢測等設備,是目前世界上規模最大的SOFC技術研究開發中心。1990年,該中心為美國DOE製造了20kW級SOFC裝置,該裝置採用管道煤氣為燃料,已連續運行了1700多小時。與此同時,該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關西電力公司提供了兩套25kW級SOFC試驗裝置,其中一套為熱電聯產裝置。另外美國阿爾貢國家實驗室也研究開發了疊層波紋板式SOFC電池堆,並開發出適合於這種結構材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高,是比較有前途的SOFC結構。在日本,SOFC研究是“月光計畫”的一部分。早在1972年,電子綜合技術研究所就開始研究SOFC技術,後來加入"月光計畫"研究與開發行列,1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆,並組成1.2kW發電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開始研製圓管式SOFC裝置,獲得了輸出功率為35W的單電池,當電流密度為200mA/cm2時,電池電壓為0.78V,燃料利用率達到58%。1987年7月,電源開發公司與這兩家公司合作,開發出1kW圓管式SOFC電池堆,並連續試運行達1000h,最大輸出功率為1.3kW。關西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機構則從美國西屋電氣公司引進3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進行試驗,取得了滿意的結果。從1989年起,東京煤氣公司還著手開發大面積平板式SOFC裝置,1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置,該電池的有效面積達400cm2。現Fuji與Sanyo公司開發的平板式SOFC功率已達到千瓦級。另外,中部電力公司與三菱重工合作,從1990年起對疊層波紋板式SOFC系統進行研究和綜合評價,研製出406W試驗裝置,該裝置的單電池有效面積達到131cm2。
在歐洲早在70年代,聯邦德國海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質結構的SOFC發電裝置,單電池運行性能良好。80年代後期,在美國和日本的影響下,歐共體積極推動歐洲的SOFC的商業化發展。德國的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力於開發千瓦級平板式SOFC發電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心(ECN)合作開發開板式SOFC單電池,有效電極面積為67cm2。ABB研究公司於1993年研製出改良型平板式千瓦級SOFC發電裝置,這種電池為金屬雙極性結構,在800℃下進行了實驗,效果良好。現正考慮將其製成25~100kW級SOFC發電系統,供家庭或商業套用。

前景

攜帶型電子設備廠家多年來受LIB的困擾,苦於沒有出路,汽車領域裡燃料電池的曙光激發出開發小巧燃料電池,一發

燃料電池燃料電池
不可收拾。最先投入研究與開發的是歐美風險企業,日本攜帶型電子設備製造商跟隨其後,緊追不捨,這些廠家參與燃料電池開發,**澎湃,各自大膽採用新材料,並且相繼獲得突破性進展,於2001年裡分別發表小巧燃料電池試製品。日本攜帶型電子機器廠家普遍認為,小巧燃料電池已經達到可以取代LIB的水平。
技術
燃料電池研究與開發集中在四大技術方面:(1)電解質膜;(2)電極;(3)燃料;(4)系統結構。日美歐各廠家開發面向便攜電子設備的燃料電池,尤其重視(1)~(3)方面的材料研究與開發,圖2列出一些重要的燃料電池研究課題。
燃料電池中僅次於電解質膜的構件材料便是電極材料,通過它可提取出由甲醇溶液經過分解反應生成的H+(質子)和電子。在電極處的反應,Pt發揮催化作用。反應速度是與Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直徑要小,爭取每單位重量有更大的表面積。實踐證明,Pt粒子的直徑一小下來,會出現多個Pt顆粒凝聚而降低催化能力的問題。NEC公司基礎研究所發現碳原子納米錐狀結構(CarbonNano-horn)上可附著2nm直徑的Pt顆粒(Pt原子直徑為0.3~0.4nm),並且Pt不含凝聚。於是,NEC利用CarbonNano-horn材料作為電極試製出以甲醇為燃料的燃料電池。
燃料電池汽車的車用儲氫器必須具有較高的單位質量儲氫密度。美能源部認為,車用高壓儲氫的單位質量密度至少應為6%,即每立方米儲存60公斤氫氣。為了滿足汽車480公里續航能力的要求,一次需儲氫大約4到7公斤。目前小型汽車的車用儲氫方式大多採用高壓儲氫,工作壓力為70兆帕(Mpa)的碳纖維儲氫瓶是目前家用汽車的最佳選擇,其售價大約為3000美元。研究人員正在致力於開發新的材料和製造工藝,以進一步降低儲氫氣瓶成本。目前正在進行的另一研究方向是,通過採用高表面積材料研究低壓吸附儲存氫氣。

燃料電池標準

2013年8月,歐盟聯合研究中心(JRC)同美國能源部阿爾貢國家實驗室(ANL)簽署聚合物電解質燃料電池(PEMFC)測試程式協定,標誌著雙方邁出了燃料電池技術標準國際化的第一步。近年來,全球燃料電池與燃料電池堆疊(Stacks)技術發展迅速,已展現出在道路交通電動汽車行業廣泛套用的前景。協定的簽署,有利於雙方在燃料電池測試技術與測試方法上的相互協調與標準化,擴大雙方間燃料電池技術的信息交流與數據交換,加速燃料電池技術的商業化套用進程。
根據燃料電池國際專家組最新提供的研究報告,“從國際視角看燃料電池測試協定”顯示,簽署國際協定的重要性和必要性顯而易見。目前,世界上燃料電池主要存在兩大類性能(Performance)測試方法和五大類負荷曲線,包括占空比(DutyCycles)的耐久性(Durability)測試方法。其中,美國以動態應力測試法(DST)為主,而歐盟以新歐洲駕駛循環模擬汽車功率測試法(NEDC)為主。暫且不論不同測試方法提供的數據參數準確性與誤差率,僅不同測試方法很可能導致的不同技術發展路線,包括國際間燃料電池技術參數的對比交換,必將造成延遲燃料電池技術商業化套用的嚴重後果。
雙方代表在測試程式協定簽字儀式後表示,歐盟美國將加強燃料電池這一戰略能源新興技術領域的科技合作,積極推動燃料電池技術標準的國際化。

研究進展

科學家研發尿動力燃料電池:替代鉑進行催化
韓國高麗大學的一個科學家組概述了一個用人尿內的碳原子製造廉價電力的計畫。這些研究人員稱,他們會用天然存在於人尿中的碳取代燃料電池內昂貴的鉑。燃料電池是一項通過氫氧反應把化學能變成電能的很有發展前途的技術。
根據這項技術,把氫氣送到燃料電池一側、帶有負電荷的陽極上,同時氧被送到燃料電池另一側、帶有正電荷的陰極上。在陽極上,一種通常是鉑的催化劑把氫原子的電子分離出來,留下帶正電荷的氫離子和自由電子。陽極和陰極之間的一張膜只允許氫離子通過。這意味著電子只有沿著外電路移動,繼而產生電流。[8]
科學家希望燃料電池將來有機會得到廣泛套用,為汽車和住宅提供電力。問題是燃料電池內的催化劑過於昂貴,而且它的高成本現已抑制這項技術的商業發展。但通過用具有相似特性的碳代替鉑,韓國研究人員認為他們可能大幅降低燃料電池的成本。
生物質燃料低溫電池
2014年2月9日,美國科學家開發出一種直接以生物質為原料的低溫燃料電池。這種燃料電池只需藉助太陽能或廢熱就能將稻草、鋸末、藻類甚至有機肥料轉化為電能,能量密度比基於纖維素的微生物燃料電池高出近100倍。
這種技術,在室溫下就能對生物質進行處理,對原材料的要求極低,幾乎適用於所有生物質,如澱粉、纖維素、木質素,甚至柳枝稷、鋸末、藻類以及禽類加工的廢料都能被用來發電。如果缺乏上述原料,水溶性生物質或懸浮在液體中的有機材料也沒有問題。該設備既可以在偏遠地區以家庭為單位小規模使用,也可以在生物質原料豐富的城市大規模使用。
實驗顯示,這種燃料電池的運行時間長達20小時,這表明POM催化劑能夠再利用而無需進一步的處理。研究人員報告稱,這種燃料電池的最大能量密度可達每平方厘米0.72毫瓦,比基於纖維素的微生物燃料電池高出近100倍,接近目前效能最高的微生物燃料電池。鄧玉林認為,在對處理過程進行最佳化後應該還有5倍到10倍的提升空間,未來這種生物質燃料電池的性能甚至有望媲美甲醇燃料電池。
直接甲酸燃料電池
科研人員通過向普通的碳黑中摻雜磷化鎳(Ni2P)獲得了一種簡單廉價的複合載體,然後將鈀負載在該複合載體上得到直接甲酸燃料電池用陽極電催化劑。
據介紹,該類催化劑在酸性環境中的活性、壽命、抗中毒能力及長效工作穩定性方面均優於商業催化劑和其他已經報導的催化劑。其中,利用該體系中的Pd-Ni2P/C作為DFAFC催化劑時其功率密度高達550mW/cm2,較商業性能提高2.5倍,是目前所見文獻報導的DFAFC的最高性能,相關研究成果發表於日前的《德國套用化學》上。

電池種類

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