发达国家燃料电池发电技术开发现状

1.磷酸型燃料电池(PAFC)　 　　PAFC技术开发的现状与动向： 　　日本自实施月光计划以来，作为国家级项目，正在实施5000千瓦级加压型和1000千瓦级常压型电厂实证运行。目前，磷酸型燃料电池的发电效率为30％～40％，如果将热利用考虑进去，综合效率可高达60％～80％。 　　除日本外，目前世界约有60台PAFC发电设备在运转，总输出功率约为4.1万千瓦。按国别和地区划分日本为2.9万千瓦，美国8000千瓦，欧洲3000千瓦，亚洲900千瓦。运转中的发电设备除3台(日本2台，意大利1台)为加压型外，其他均为常压型。磷酸型燃料电池的制造厂家目前主要为日本和美国，设备主要销往欧、亚。 　　美国已完成基础研究，200千瓦级电厂用电池近期有望商品化，但大容量电厂用电池处于停滞状态。德国已引进美国200千瓦级电厂用电池进行试验运行。另外，瑞典、意大利、瑞士等国也引进日、美的电池进行试运行。　 2.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)　 　　日本对MCFC发电系统的技术开发始于1981年度的月光计划，该计划围绕开发1千瓦级发电机组这个目标展开了对MCFC燃料、电极等的开发。该开发研究进展顺利，从1984年开始，进而对10千瓦级发电机组进行研究开发。1986年，日立、东芝、富士电机、三菱电机、IHI分别对5台10千瓦级机组进行发电试验，其结果是输出功率为10千瓦，初期性能为电池电压0.75伏，电流密度150毫安/平方厘米。　 　　1987年起，日本在对1000千瓦级实验电场(外部改质型)进行主要开发的同时，对100千瓦级发电机组以及1000千瓦级机组的外围设备的开发研究也取得了进展。1993年度，日立、IHI的2台100千瓦级外部改质型机组和三菱电机的1台30千瓦级内部改质型机组开始试验发电运行。其试验结果以及1994年度进行的5-25千瓦级机组的试验结果表明，电池电压0.8伏，电流密度达15毫安/平方厘米，单位时间内的劣化率小于1％。　 　　在此基础上，1994年度起开始着手开发1000千瓦级试验工厂。1995年10月在中部电力(株)川越发电所开始建厂，确立了1000千瓦级实用化发电系统试验工厂的基本系统，对现有的事业用燃料电池电厂的运行进行评价，计划1999年开始试验运行，其目标为：燃料利用率为80％，千小时电池的劣化率小于1％，初期性能为：电池电压大于0.8伏，电流密度1500毫安/平方厘米，计划试验运行5000小时。 　　为使电池实用化，在上述研究开发的基础上，还进行了机组长寿命化研究，计划连续实验运行4万小时，每千小时单位劣化率小于0.25％。除此之外，还在开发200千瓦级内部改质型燃料电池发电系统。 　　美国能源部和美国电力研究所，正在积极开发MCFC。美国ERC公司开发的2兆瓦级内部改质型机组发电系统于1996年5月在圣克拉拉开始试验运行。MC－power公司开发的250千瓦级外部改质型机组发电系统，1997年2月起在圣迭戈开始试运行。 　　在欧洲，MCFC作为共同项目正在研究开发，取得了一些进展，其主要项目如下：　 　　①高级DIC－MCFC发展计划(1996-1998年)。荷兰、英、法、瑞典等国参加研究，欧洲在市场分析、系统开发以及内部改质型机组的开发等方面取得进展。　 　　②ARGE项目(1990年起计划10年内完成)。德、丹麦参加，并在内部改质型发电系统的开发上取得进展。 　　③MOLCARE。由意、西班牙参加，并在外部改质型发电系统开发上取得进展。　 　　韩国从1993年起开始开发MCFC，1997年以开发100千瓦外部改质型发电系统为目标，开始了第二阶段研究开发工作。　 3.固体电解质型燃料电池(SOFC)　 　　作为SOFC开发的基础科学离子学，其开发历史很长，日、美、德等国已有30多年的开发史。日本工业技术院电子技术综合研究所从1974年起就开始研究SOFC，1984年进行了500瓦发电试验(最大输出功率为1.2千瓦)。美国西屋公司从1960年起开始开发SOFC，1987年该公司与日本东京煤气、大阪煤气共同开发出3千瓦热自立型电池模块，在国内外掀起了开发SOFC的高潮。　 　　日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)，为首，从1989年起开始开发基础制造技术，对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年起，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究开发数千瓦级平板型模块基础上，还组织了7个研究机构积极开发高性能、长寿命的SOFC材料及其基础技术。　 　　除此之外，三菱重工神户造船所与中部电力合作，共同开发平板型SOFC，1996年创造了5千瓦级模块成功运行的先例。同时，在圆筒横缟型电池领域中，1995年三菱重工长崎造船所在电源开发共同研究中，采用圆筒横缟型电池，开发出10千瓦级模块，成功地进行了500小时试运行，之后又于1996年开发了2.5千瓦模块，并试运行1000小时。TOTO与九州电力共同开发全湿式圆筒纵缟型电池，1996年起，开始开发1千瓦级模块。同时，在日本以大学与国立研究所为首的许多研究机构在积极开发SOFC。 　　美国西屋公司在能源部的支持下，开始开发圆筒纵缟型电池。东京煤气和大阪煤气对25千瓦级发电及余热供暖系统进行的共同测试表明，截至1997年3月，已成功运行了约1.3万小时，其间已经过11次启动与停机，千小时单位电池的劣化率小于0.1％，可见其技术已非常成熟。西屋公司除计划在1998年与荷兰、丹麦共同进行100千瓦级模块运行外，为降低制造成本，还在研究开发湿式电池制造技术。美国Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正对1千瓦级模块进行试运行。　 　　在欧洲，德国西门子公司在开发采用合金系列分离器的平板型SOFC，1995年开发出10千瓦(利用氧化剂中的氧，若在空气中则为5千瓦)模块，1996年开发出7.2千瓦模块(利用氧化剂中的空气)。　 　　奔驰汽车制造公司在开发陶瓷系列分离器式平板型SOFC上取得进展，1996年对2.2千瓦模块试运行6000小时。瑞士的萨尔泽尔公司在积极开发家庭用SOFC，目前已开发出1千瓦级模块。今后，德国还计划在特蒙德市进行7千瓦级发电及余热供暖系统现场测试。　 　　在此基础研究上，以英、法、荷等国的大学和国立研究所为中心的研究机构，正在积极研究开发低温型(小于800℃)SOFC材料。 4.固体高分子型燃料电池(PEFC)　 　　日本开发固体高分子膜的单位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，开发改质器以及电极催化媒体的机构有田中贵金属、大阪煤气等。在开发汽车燃料电池方面，丰田制造出甲醇改质型燃料电池汽车(1997年)，同时三菱电机、马自达也在着手开发汽车燃料电池。　 　　在供电及余热供暖系统方面，PEFC排热温度较低，为70℃左右，在热利用上有所限制，与其他类型燃料电池相比，目前只开发小型系统。东芝(30千瓦)、三洋电机(数千瓦)、三菱重工和东京煤气(5千瓦)、富士电机和关西电力(5千瓦)等公司在开发以天然气和甲醇为燃料的电池系统，同时，三洋电机在开发1千瓦级氢燃料便携式商品化电源，三菱重工在开发特殊用途(无人潜水艇用)燃料电池。 　　PEFC主要作为汽车动力电源在开发。但在汽车上燃料的搭载方式各种各样，有高压氢、液化氢和甲醇等。这些燃料各具长短，目前还未能确定最适方式。　 　　德国奔驰与加拿大BPS在进行共同开发，它们开发的搭载氢燃料、小底盘汽车在试运行。除此之外它们还共同开发甲醇燃料电池汽车。若在降低成本、提高运行性能等方面再取得一些进展，电池汽车就有望走向市场。 　　美国克莱斯勒、通用、福特三公司协力合作，计划到2000年开发出输出50千瓦、输出密度1千瓦/公斤的燃料电池。另外，BMW、Rover和西门子三家公司也在开展共同开发。 　　作为供电及余热供暖系统，BPS设计制作了250千瓦的发电系统，目前在进行运行试验。同时，该公司还在开发25-50瓦便携式电源。　 　　另外，许多公司还在开发作为特殊用途的潜水艇及船舶用的动力系统。