【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽(yáng)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(kāi)始對(duì) SOFC的電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極材料等進(jìn)行研究 ,組裝成單體電池，通過(guò)了吉林省科委的鑒定。 1995年獲吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委 450萬(wàn)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(kāi)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(guó)科學(xué)院化工冶金研究所在中國(guó)科學(xué)院資助下開(kāi)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?cè)诜治龆砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國(guó) Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國(guó) 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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于 1982年開(kāi)始從事固體電解質(zhì)和混合導(dǎo)體的研究，于 1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和 863計(jì)劃的資助下開(kāi)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(shì)的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(chéng)科研基金、廣東佛山基金共一百多萬(wàn)元的資助下開(kāi)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(wú)明顯衰減。 中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所在 1994年開(kāi)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(kāi)始煤氣化熱解的研究，以提供太陽(yáng)能燃料電池的氣源。煤的灰熔聚氣化過(guò)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(kāi)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于 1994年開(kāi)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(guó)科學(xué)院北京物理所于 1995年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，開(kāi)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(guó)外太陽(yáng)能燃料電池發(fā)展?fàn)顩r 發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型太陽(yáng)能燃料電池的開(kāi)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(yáng)能燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得太陽(yáng)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(chē)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(wèn)題， 2MW、 、 11MW成套太陽(yáng)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(yáng)能燃料電池發(fā)電廠(chǎng)相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。太陽(yáng)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(shū)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(yáng)能燃料電池的高效率、無(wú)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(yáng)能燃料電池發(fā)電 正以急起直追的勢(shì)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(yáng)能燃料電池技術(shù)在國(guó)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(yáng)能燃料電池 (PAFC) 受 1973年世界性石油危機(jī)以及美國(guó) PAFC研發(fā)的影響，日本決定開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的太陽(yáng)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(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（ NEDO）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 １３ 自 1981年起，進(jìn)行了 1000kW現(xiàn)場(chǎng)型 PAFC發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)。 1986年又 開(kāi)展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開(kāi)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(guó)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(chǎng)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(guò)了目標(biāo)壽命 4萬(wàn)小時(shí)。 表 現(xiàn)場(chǎng)用 PAFC太陽(yáng)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(zhǎng)累計(jì) 最長(zhǎng)連續(xù) 1 萬(wàn) h 2 萬(wàn) h 3 萬(wàn) 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(kāi)始，以分散型太陽(yáng)能燃料電池為中心進(jìn)行開(kāi)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(yáng)能燃料電池發(fā)電設(shè)備，從 1989年開(kāi)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(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 2萬(wàn)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(chǎng)太陽(yáng)能燃料電池領(lǐng)域， 1990年?yáng)|芝和美國(guó) IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用太陽(yáng)能燃料電池商業(yè)化，成立了 ONSI公司，以后開(kāi)始向全世界銷(xiāo)售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備 PC25系列。 PC25系列太陽(yáng)能燃料電池從 1991年末運(yùn)行，到 1998年 4月，共向世界銷(xiāo)售了 174臺(tái)。其中安裝在美國(guó)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(wàn)小時(shí)。從太陽(yáng) 能燃料電池的壽命和可靠性方面來(lái)看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間 4萬(wàn) h是太陽(yáng)能燃料電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝 ONSI已完成了正式商用機(jī) PC25C型的開(kāi)發(fā)，早已投放市場(chǎng)。 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(yáng)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?jī)H為 14t。明年即 2021年，我國(guó)就將迎來(lái)第一座 PC25C型太陽(yáng)能燃料電池電站，它主要由日本的 MITI（ NEDO）資助的，這將是我國(guó)第一座太陽(yáng)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(yáng)能燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、無(wú)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(kāi)發(fā) PAFC是為了控制發(fā)電廠(chǎng)的峰谷用電平衡，近來(lái)則側(cè)重于作為向公寓、購(gòu)物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)包括兩種情形：分散型發(fā)電廠(chǎng)，容量在 1020MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠(chǎng)，容量在 100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠(chǎng)。 PAFC電廠(chǎng)比起一般電廠(chǎng)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(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠(chǎng)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(yáng)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(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)化零排放質(zhì)子交換膜太陽(yáng)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(yáng)能燃料電池電站，其基本構(gòu)件是 Ballard太陽(yáng)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(chǎng)：由 Ballard Generation System， GPU International Inc.，Alstom SA 和 EBARA公司共同組建了 Ballard Generation System，共同開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)以下的太陽(yáng)能燃料電池發(fā)電廠(chǎng)。經(jīng)過(guò) 5年的開(kāi)發(fā)，第一座 250kW發(fā)電廠(chǎng)于 1997年 8月成功發(fā)電， 1999年 9月送至 Indiana Cinergy，經(jīng)過(guò)周密測(cè)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(chǎng)的誕生，它安裝在柏林， 250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次測(cè)試。很快 Ballard公司的第三座 250kW電廠(chǎng)也在 2021年 9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，緊接著，在 2021年 10 月通過(guò)它的伙伴 EBARA Ballard 將第四座 １５ 太陽(yáng)能燃料電池電廠(chǎng)安裝在日本的 NTT公司，向 亞洲開(kāi)拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的測(cè)試將大大促進(jìn)太陽(yáng)能燃料電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)早期商業(yè)化電廠(chǎng)將在 2021年底面市。下圖是安裝在美國(guó) Cinergy的 Ballard太陽(yáng)能燃料電池裝置，目前正在測(cè)試： Ballard 太陽(yáng)能燃料電池 下圖是安裝在柏林的 250kW PEMFC太陽(yáng)能燃料 電池電站： 250kW PEMFC 太陽(yáng)能燃料電池電站 在美國(guó)， Plug Power公司是最大的質(zhì)子交換膜太陽(yáng)能燃料電池開(kāi)發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、制造適合于居民和汽車(chē)用經(jīng)濟(jì)型太陽(yáng)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(kāi)發(fā)出它的專(zhuān)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(yáng)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(chēng) 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(chēng)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(yáng)能燃料電池售價(jià)將降至 $500/kW。假設(shè)有 20萬(wàn)戶(hù)家庭各安裝一個(gè) 7kW的家用太陽(yáng)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(chē)制造商參加了太陽(yáng)能燃料電池車(chē)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?cè)S多正在使用的 太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)加元用于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能燃料電池汽車(chē)，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(chē)，它由一個(gè) 25kW的太陽(yáng)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(chē)公司均有太陽(yáng)能燃料電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃，雖然現(xiàn)在太陽(yáng)能燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟， 但幾家公司已確定了開(kāi)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(yáng)能燃料電池汽車(chē)。因而未來(lái)十年，極有可能達(dá)到 100000輛太陽(yáng)能燃料電池汽車(chē)。 PEMFC是一種新型、有遠(yuǎn)大前途的太陽(yáng)能燃料電池，經(jīng)過(guò)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(yáng)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(guò)程可見(jiàn)一斑。膜電極是 PEMFC的電化學(xué)心臟，正是因?yàn)樗淖兓?