氢能应用之氢氧燃料电池（三）

日期：2019-1-17 发布者：郑州硕丰精密机械有限公司、水燃料氢氧机

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氢能应用之氢氧燃料电池（三）

三 几种常见的低温燃料电池

1质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池的电解质是固体有机化合物，也称为聚合物电解质燃料电池。固体聚合物燃料电池，通常工作温度为80℃。

20世纪60年代初，美国通用电气(GE)公司发明了第一台PEMFC，并首次作为主电源，应用于 “双子星座”飞船。随后，美国杜邦公司成功开发含氟的磺酸型质子交换膜，使PEMFC的寿命超过了57000小时。美国通用电气公司采用内部加湿和增大阴极区反应压力的办法解决了 PEMFC在工作过程中的膜干涸问题。但仍存在两点不足：1、贵金属催化剂用量太高(4 )；2、电池要得到可观的电流密度，必须以纯氧作氧化剂，因而限制了其应用。20世纪80年代，加拿大巴拉德动力系统公司开始研究用空气代替纯氧，采用石墨极板和Dow化学公司研制的新型聚合物膜，开发出性能更高的系统，其电流密度可达4.3 ，为燃料电池的客车提供燃料电池发动机。2005年9月胡锦涛主席专门访问过该公司。进入20世纪90年代，在各国科学家的努力下，技术日趋成熟。目前，这种PEMFC的质量比功率和体积比功率分别达到1000W/kg和1700W/L；在降低成本方面，国际上已取得了突破性进展。PEMFC有望成为电动汽车和潜艇(AIP)的最佳动力源。PEMFC的研究已经成为各类燃料电池研究中的主流。

典型PEMFC发电体可由一个或若干个电池单体组成。电池单体主要由膜电极、密封圈和带有导气通道的集流板组成。膜电极中间为质子交换膜，它除了有质子交换功能外，还可起到隔离燃料气体和氧化气体的作用。膜两边是气体电极，它由兼作电极导电支撑体和气体扩散层的碳纸和催化剂(多采用纳米金属Pt)组成。目前对膜电极结构和新型催化剂的研究工作日益增多。

2磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池的电解质为液体磷酸，通常工作温度为250℃。目前应用最多的是分布式燃料电池电站。全世界有200多座200kW的PAFC电站在运行。

美国联合技术公司(UTC)是世界上最成功的磷酸燃料电池(PAFC)制造商。UTC在20世纪70年代初试验了65台FC-11型12.5kW的PAFC。1980年代试验过53台FC-18型40kW的PAFC电站。

1991年世界上第一个商业化的PC-25型的200kW的PAFC成功运行。到目前为止， PC-25已经成功运行超过4万小时，其热电总效率达80%。

美国能源部(DOE)委托美国联合技术公司，组织9个电力公司从1971年开始研究燃料电池在电力工业上的应用，称为FCG-1计划，该计划的目标是建立大型燃料电池发电站。1977年建成1MW电站，1980年在纽约建成4.5MW试验电站，1983年在东京建成第二个4.5MW试验电站，后来又发展成商品型11MW的PC-23电站，于1991年4月开始在东京发电。

美国是最早发展PAFC电站技术的国家，而日本是PAFC电站技术发展最快的国家，它仅用了10~15年的时间，就成为和美国一样的世界上PAFC电站技术发展水平最高的国家。目前，美国IFC公司和日本的东芝公司是PAFC技术水平最高的公司。日本政府自1981年开始执行“月光计划”，即国家的燃料电池发展计划(日本政府的燃料电池研究和发展计划自1974年开始是“阳光计划”的一部分，1981年转成“月光计划”。在1981~1986年期间，“月光计划”预算拨款4400万美元，其中3000万美元用于发展PAFC系统，发展小型分散供电电站和大型集中供电电站。月光计划原为10年计划，1987年改为15年计划(到1995年)，总的研究与发展经费预算为 570亿日元。

日本制造商在电力公司、煤气公司的通力合作下，已可生产50kW、100kW、200kW电站，并组装为1MW、5MW、11MW等各种规格的PAFC示范电站。日本生产PAFC电站的公司主要是富士、东芝 、三菱、日立。

英国、德国、荷兰、比利时、意大利、丹麦、瑞典、芬兰等九个国家22家公司于1989年9月11日成立了欧洲燃料电池集团(EFCG)，总公司设在英国伦敦。计划3年内投资2500万欧元与美日竞争。他们购买美国、日本的PAFC电池电站进行示范试验，以取得PAFC在欧洲的运行、维修经验；并利用自己在燃料处理及交、直流电能转化方面的先进技术来开展PAFC电站技术的研究和发展工作。

PAFC只限于固定电站，因为它的工作温度在200℃左右，作为热电联供时，其余热利用价值较低，因此人们对PAFC的兴趣日益减少，有被其它高温燃料电池取代的趋势。

3碱性燃料电池(AFC)

碱性燃料电池的电解质为液体氢氧化钾或者液体氢氧化钠，通常工作温度为50℃。它是最早获得应用的燃料电池。

1950年代，英国剑桥大学的F.T.Bacon教授用高压氢、氧气体演示了世界第一个功率为5kW的碱性燃料电池(AFC)，工作温度为150℃。随后建造了一个6kW的高压氢氧碱性燃料电池的发电装置。进入20世纪60年代，由美国联合技术公司把该系统加以发展，成功地为阿波罗登月飞船提供电力。

碱性燃料电池的研究工作基本已在20世纪70~80年代末中止，因为碱性电解质液体氢氧化钾、氢氧化钠易与空气中的CO 生成K CO 和Na CO 沉淀，严重影响电池性能。而要除去CO ，这在常规环境中有很大的困难。现在碱性燃料电池基本已被PEMFC取代。

90年代后期，德国西门子公司在原有的AFC基础上，将8个6kW氢/氧AFC电堆组合在一起构成的48kW的AFC电堆，该电堆输出电压192V，输出电流250A，该公司还用AFC电堆装备了一艘德国潜艇。现在，西门子公司用PEMFC装备德国U31潜艇。20世纪90年代，德国卡尔斯鲁厄研究中心研制了以AFC作为动力的汽车，这是德国第一辆用燃料电池作动力的汽车，现陈列于德国奥海姆技术博物馆。德国卡尔斯鲁厄研究中心的AFC研制工作现已停止。碱性燃料电池在地面上的应用几乎全部停止。其最辉煌的历史记录是曾在航天飞行中得到应用。

常见的低温燃料电池的基本情况见图2。

图2 常见低温燃料电池