【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單體 SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。 吉林大學(xué)于 1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開始對 SOFC的電解質(zhì)、陽極和陰極材料等進(jìn)行研究 ,組裝成單體電池，通過了吉林省科委的鑒定。 1995年獲吉林省計(jì)委和國家計(jì)委 450萬元人民幣 的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等 ,單體電池開路電壓達(dá) ，電流密度 400mA/cm2， 4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。 1991年中國科學(xué)院化工冶金研究所在中國科學(xué)院資助下開展了 SOFC的研究，從研制材料著手 ,制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá) ～ ，電流密度為 150mA/cm2～ 180mA/cm2，工作電壓為 ～ 。 1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了 20W～ 30W塊狀疊層式 SOFC電池組 ,電池壽命達(dá)1200h。他們在分析俄羅斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國 Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國 Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于 1982年開始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于 1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)和 863計(jì)劃的資助下開始了中溫 SOFC的研究。一種是用納米氧化鋯 １２ 作電解質(zhì)的 SOFC，工作溫度約為 450℃。另一種是用新型的質(zhì)子導(dǎo)體作電解質(zhì)的 SOFC，已獲得 接近理論電動(dòng)勢的開路電壓和 200mA/cm2的電流密度。此外 ,他們正在研究基于多孔陶瓷支撐體的新一代 SOFC。 清華大學(xué)在 90 年代初開展了 SOFC的研究，他們利用緩沖溶液法及低溫合成環(huán)境調(diào)和性新工藝成功地合成了固體電解質(zhì)、空氣電極、燃料電極和中間聯(lián)結(jié)電極材料的超細(xì)粉 ,并開展了平板型 SOFC成型和燒結(jié)技術(shù)的研究 ,取得了良好效果。 華南理工大學(xué)于 1992年在國家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)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(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無明顯衰減。 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在 1994年開始 SOFC研究，用超細(xì)氧化鋯粉在1100℃下燒結(jié)制成穩(wěn)定和致密的氧化鋯電解質(zhì)。該所從 80年代初開始煤氣化熱解的研究，以提供太陽能燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過程已進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段，正在鎮(zhèn)江市建立工業(yè)示范裝置。該所還開展了使煤氣化熱解的煤氣在高溫下脫硫除塵和甲醇脫氫生產(chǎn)合成氣的研究，合成氣中 CO 和 H2的比例為 1∶ 2，已有成套裝置出售。 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所于 1994年開展了 SOFC的研究工作，在電極和電解質(zhì)材料的研究上取得了可喜的進(jìn)展。 中國科學(xué)院北京物理所于 1995年在國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開展了用于 SOFC的新型電解質(zhì)和電極材料的基礎(chǔ)性研究。 5．國外太陽能燃料電池發(fā)展?fàn)顩r 發(fā)達(dá)國家都將大型太陽能燃料電池的開發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事太陽能燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得太陽能燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要 的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題， 2MW、 、 11MW成套太陽能燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的太陽能燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成。太陽能燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。太陽能燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆 21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，太陽能燃料電池發(fā)電 正以急起直追的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為 21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。太陽能燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。 ．磷酸型太陽能燃料電池 (PAFC) 受 1973年世界性石油危機(jī)以及美國 PAFC研發(fā)的影響，日本決定開發(fā)各種類型的太陽能燃料電池， PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（ NEDO）進(jìn)行開發(fā)。 １３ 自 1981年起，進(jìn)行了 1000kW現(xiàn)場型 PAFC發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。 1986年又 開展了200kW現(xiàn)場性發(fā)電裝置的開發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的 PAFC發(fā)電裝置。 富士電機(jī)公司是目前日本最大的 PAFC電池堆供應(yīng)商。截至 1992年，該公司已向國內(nèi)外供應(yīng)了 17套 PAFC示范裝置，富士電機(jī)在 1997年 3月完成了分散型 5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場用設(shè)備已有 50kW、 100kW及 500kW總計(jì) 88 種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到 1998年止有的已超過了目標(biāo)壽命 4萬小時(shí)。 表 現(xiàn)場用 PAFC太陽能燃料電池的運(yùn)行情況 容量 臺(tái)數(shù) 累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 最長累計(jì) 最長連續(xù) 1 萬 h 2 萬 h 3 萬 h 50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4 100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3 500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0 東芝公司從 70年代后半期開始，以分散型太陽能燃料電池為中心進(jìn)行開發(fā)以后，將分散電源用 11MW機(jī)以及 200kW機(jī)形成了系列化。 11MW機(jī)是世界上最大的太陽能燃料電池發(fā)電設(shè)備，從 1989年開始在東京電力公司五井火電站 內(nèi)建造， 1991年 3月初發(fā)電成功后，直到 1996年 5月進(jìn)行了 5年多現(xiàn)場試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過 2萬小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率 %。在小型現(xiàn)場太陽能燃料電池領(lǐng)域， 1990年東芝和美國 IFC公司為使現(xiàn)場用太陽能燃料電池商業(yè)化，成立了 ONSI公司，以后開始向全世界銷售現(xiàn)場型200kW設(shè)備 PC25系列。 PC25系列太陽能燃料電池從 1991年末運(yùn)行，到 1998年 4月，共向世界銷售了 174臺(tái)。其中安裝在美國某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司 2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了 4萬小時(shí)。從太陽 能燃料電池的壽命和可靠性方面來看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 4萬 h是太陽能燃料電池的長遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝 ONSI已完成了正式商用機(jī) PC25C型的開發(fā)，早已投放市場。 PC25C型作為 21 世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從太陽能燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是 $3000/kW，近期將推出的商業(yè)化 PC25D型設(shè)備成本會(huì)降至 $1500/kW，體積比 PC25C型減少 1/4，質(zhì)量僅為 14t。明年即 2021年，我國就將迎來第一座 PC25C型太陽能燃料電池電站，它主要由日本的 MITI（ NEDO）資助的，這將是我國第一座太陽能燃料電池發(fā)電站。 PAFC作為一種中低溫型（工作溫度 180210℃）太陽能燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無噪音等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。下表給出先進(jìn)的 ONSI公司 PC25C型 200kW PAFC的主要技術(shù)指標(biāo)。最初開發(fā) PAFC是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來則側(cè)重于作為向公寓、購物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場集中電力系統(tǒng)。 １４ 表 ONSI公司 PC25C型 PAFC主要技術(shù)指標(biāo) 電力輸出 發(fā)電效率 燃料 質(zhì)量 排 熱利用 環(huán)境狀況 NOX 體積 200kW 40% 城市煤氣 42% 1010 6 33 PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在 1020MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在 100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。 PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。 下圖為 ONSI PC25C型電站： ONSI PC25C 型電站 ．質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池 (PEMFC) 著名的加拿大 Ballard公司在 PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司 Ballard Generation System被認(rèn)為在開發(fā)、生產(chǎn)和市場化零排放質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。 Ballard Generation System 最初產(chǎn)品是 250kW太陽能燃料電池電站，其基本構(gòu)件是 Ballard太陽能燃料電池，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(fā)電。 Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使 Ballard Fuel Cell 商業(yè)化。 Ballard Fuel Cell 已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由 Ballard Generation System， GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了 Ballard Generation System，共同開發(fā)千瓦級(jí)以下的太陽能燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過 5年的開發(fā)，第一座 250kW發(fā)電廠于 1997年 8月成功發(fā)電， 1999年 9月送至 Indiana Cinergy，經(jīng)過周密測試、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)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 2021年 9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場測試，緊接著，在 2021年 10 月通過它的伙伴 EBARA Ballard 將第四座 １５ 太陽能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(qū)進(jìn)行的測試將大大促進(jìn)太陽能燃料電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)早期商業(yè)化電廠將在 2021年底面市。下圖是安裝在美國 Cinergy的 Ballard太陽能燃料電池裝置，目前正在測試： Ballard 太陽能燃料電池 下圖是安裝在柏林的 250kW PEMFC太陽能燃料 電池電站： 250kW PEMFC 太陽能燃料電池電站 在美國， Plug Power公司是最大的質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池開發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開發(fā)、制造適合于居民和汽車用經(jīng)濟(jì)型太陽能燃料電池系統(tǒng)。 1997年， Plug Power 模塊第一個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。最近?Plug Power 公司開發(fā)出它的專利產(chǎn)品 Plug Power 7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在 2021年初推出。家用太陽能燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品， 1999年 2月， Plug Power 公司和 GE MicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱 GE HomeGen 7000，由 GE MicroGen 公司負(fù)責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將提供 7kW的持續(xù)電力。 GE/Plug公司宣稱其 2021年初售價(jià)為 $1500/kW。他們預(yù)計(jì) 5年后，大量生產(chǎn)的太陽能燃料電池售價(jià)將降至 $500/kW。假設(shè)有 20萬戶家庭各安裝一個(gè) 7kW的家用太陽能燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī) １６ 組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 在 Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車制造商參加了太陽能燃料電池車輛的研制，例如：Chrysler (克萊斯勒 )、 Ford(福特 )、 GM(通用 )、 Honda (本田 )、 Nissan (尼桑 )、Volkswagen AG(大眾 )和 Volvo(富豪 )等，它們許多正在使用的 太陽能燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到太陽能燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司最近給 Ballard公司注入 4億 5千萬加元用于開發(fā)太陽能燃料電池汽車，大大的促進(jìn)了 PEMFC的發(fā)展。 1997年， Toyota公司就制成了一輛 RAV4型帶有甲醇重整器的跑車，它由一個(gè) 25kW的太陽能燃料電池和輔助干電池一起提供了全部 50kW的能量，最高時(shí)速可以達(dá)到 125km/h，行程可達(dá) 500km。目前這些大的汽車公司均有太陽能燃料電池開發(fā)計(jì)劃，雖然現(xiàn)在太陽能燃料電池汽車商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟， 但幾家公司已確定了開始批量生產(chǎn)的時(shí)間表， DaimlerBenz公司宣布，到 2021年將年產(chǎn) 40000輛太陽能燃料電池汽車。因而未來十年，極有可能達(dá)到 100000輛太陽能燃料電池汽車。 PEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)大前途的太陽能燃料電池，經(jīng)過從 80年代初到現(xiàn)在的近 20年的發(fā)展，質(zhì)子交換膜太陽能燃料電池起了翻天覆地的變化。這種變化從其膜電極的演變過程可見一斑。膜電極是 PEMFC的電化學(xué)心臟，正是因?yàn)樗淖兓?