新型燃料电池层出不穷

世界上最大的燃料电池问世

由美国 IFC 公司制造，日本东芝公司改装，安装在东京电力公司五井火电厂进行连续运行试验的容量为 1.1 万千瓦（目前世界最大）的磷酸盐型燃

料电池发电系统，现已按 7000 千瓦负荷连续运行 1000 小时成功。今后拟继

续运行 1 万小时以考核其装备的可靠性、发电效率和质量。如经长期运行无

问题，则下一步将出力提高到 1.1 万千瓦设计值，继续进行长期连续运行试验，以便为转入商业性运行创造条件。

这台燃料电池耗资约百亿日元，于 1991 年建成试运行，在运行中曾不断进行改进。它以甲烷为燃料，发电效率已达 40％，利用余热后总的热效率可达 70％。由于它基本上不排放 NOx 和 SOx 等污染物，是首都圈内的理想的小型分散电源。适于医院、宾馆自用型的 200 千瓦级磷酸盐型燃料电池已在大量试用中。

高温下工作的燃料电池有商业前景

以商用为目的开发的燃料电池，因引起电化学反应的电解质种类不同，大体上可分为以下三种类型：

磷酸型电解质燃料电池工作温度为 200℃，最后的产物是电、蒸汽和热水。这种技术基本上已达到实用阶段，日本和美国都在推进其商用化。

融熔碳酸盐型燃料电池这种燃料电池在高温下以熔化状态的碳酸盐作为电解质，工作温度为 650℃，发电效率高。这种燃料电池由于需要热量，也可以直接供给高温气体。

固体电解质型燃料电池采用固体氧化物的烧结体作为电解质，工作温度高达 1000℃。

在这三种类型的燃料电池中，工作温度最高的就是固体电解质型燃料电池。这种燃料电池与其他类型的燃料电池相比，工作温度（1000℃）要高得多，而且发电效率也高。另外，由于工作温度高就能促进燃料电池的化学反应，而不再需要促进反应的催化剂，这也是一个特征。因此，作为基本燃料，除了利用天然气之外，还可利用包含一氧化碳的煤气等气体。进一步来说，这种类型的燃料电池因为构成要素全都是固体的，耐用性也就有可能提高。而且由于制造方法和结构简单，容易进行大量生产也是这种电池的一个优点。但是，如果要在实际中应用，开发高性能和高可靠性（长寿命）的陶瓷元件就十分重要了。突破这个重点的是东陶机器公司（TOTO）。

东陶机器公司与九州电力公司合作，共同开发了固体电解质燃料电池。他们采用“浆料镀层法”（将基片浸入能使原料分散的溶剂中进行焙烧而形成薄膜，再在薄膜上进行镀层的方法）开发了圆筒型固体电解质燃料电池，这也是世界上首次获得成功的燃料电池。这里所谓的浆料，是应用该公司制造卫生陶器的技术研制的。

该公司今后以 2000 年为目标，面对实用进行开发必然取得更大的成果。

当前他们在进行 2000 小时的耐久性试验，有希望取得理想的结果。第三代燃料电池开发取得显著成就

天然气驱动的陶瓷燃料电池有希望获得便宜、清洁的电能。

澳大利亚科学家建造了一些小型陶瓷燃料电池。它们能直接把天然气转变成电能，无需发电机。正在研究这项技术的科学家认为，这种化学反应能

比最好的常规燃气发电厂多生产 30％电能，而且它能给任何场合提供电能。这种氧化锆燃料电池，使用矿物沙锆（伴有其他奇异的物质）绕过这一

工艺过程，直接把天然气转变成了电能。

这种工艺过程还能产生 1000℃高温。如用来驱动燃气轮机电厂，则效率可达 80％。

该工艺过程比常规燃气发电对环境的危害小，它产生的二氧化碳只有常规燃气发电厂的一半。它产生的氧化氮和二氧化硫也比常规燃气发电厂少得多。

预计在七年内这种样机可投入运行。陶瓷燃料电池公司计划在今后 5 年

中将花约 2400 万美元研制这种燃料电池技术。

这种燃料电池可制成积木式，它能为边远的作业单位提供动力，这样做要比柴油发电或把该地同附近的电网连接起来要便宜。随着需求量的增加，能层叠更多的燃料电池，以满足增加的电力需求。

第一代燃料电池在 60 年代用于航天器，使用的是磷酸，但实践证明这种燃料电池效率很低。后来又研究过熔融碳酸盐电池。

以氧化锆为基础的第三代燃料电池，通常叫作固体氧化物燃料电池。燃料电池堆的成本约为一座发电厂的 20％～30％，必须能连续运行 5 年

才能在经济上可行。这种燃料电池的运行时间能超过 5 年。

小型燃料电池堆能为购物中心、医院、军事基地供电，而较大的燃料电池可为城市供电。

美国威斯汀豪斯电气公司研制成功的固体电解质型燃料电池已经连续运行 5000 小时，功率为 25 千瓦。

这台燃料电池原型装置在匹兹堡郊外研制成功，1993 年 1 月底运往日本，设置在神户市的六早新能源实验中心。该公司将把实证试验委托给关西电力公司，自己则开始研制 100 千瓦的装置。

固体电解质型燃料电池是不产生二氧化硫等大气污染物质的燃料中发电效率最高的（达 60％以上），被认为是下一世纪的主要发电技术。

日、美、加等国均在积极开发固体电解质燃料电池。

日本东邦煤气公司开发成功发电密度最高的固体电解质燃料电池。它采用在锆质陶瓷电解质中加入氧化铊添加剂，达到成本低和耐热性好的目的。电池由厚 0.25 毫米自立型电介质板被电极夹紧而成，强度和导电率均为以前

的 2 倍以上，发电试验结果，平均 1 平方厘米发电 1.61 瓦（以前均＜1 瓦），从而保证了电池体积的小型化。由于导电率的改善，工作温度亦可降低。这样对提高使用寿命亦有利。下一步拟进行实证试验，争取 2000 年商品化。

美国道氏化学公司和加拿大巴兰道动力公司决定合作开发使用阳离子交换膜新材料的高效第三代燃料电池，力争 2000 年商品化。由于燃料电池以从天然气等燃料中分解后的氢和氧通过塑料膜的电介质反应而发电。故薄膜变薄可加速离子通过速度而提高出力，道氏公司利用本公司生产交换膜和有经验的燃料电池开发者巴兰道公司合作，争取 2010 年在可达数十亿美元的大市场中占有大份额。

日本新能源产业技术综合机构已开始组织开发固体高分子电解质燃料电池。鉴于这种燃料电池电力密度高、体积小和低温下启动等特点，将来可作为电动汽车和家庭分散用电源。计划到 1995 年投资 10 亿日元，第一步先开

发 1 千瓦级。关于实用电池组的开发，委托东芝、三菱电机和三洋电机负责。

高分子固体电解质燃料电池和常用磷酸盐型燃料电池不同，它以固体高分子膜为电解质，可在低温下启动，并占地小，1965 年美国已用于宇航事业，但由于价格高和以纯氢作燃料，故长期只限于宇航和军用。近年来随着高分子膜性能和燃料处理技术的进步，美、德已开始研究用于民用，为此，日本亦紧紧赶上。

储能用的再生型燃料电池

近年来铁铬氧化还原液流电池在日本快速发展起来，这是用于储能的一种新型再生型燃料电池。这种电池于 1975 年开始小型研究，而到了 80 年代才作为大型节能技术开发目标之一，被列入日本工业技术院新型电池电力储存系统的 12 年研究开发的“月光计划”。

这是一项完整的实用性电力储存技术计划。它的最终目标是研制成功功率为 1000 千瓦级的新型燃料电池电力储存系统，这一系统的基准充放电时间为：8 小时充电，8 小时放电。总能量效率为 70％以上（交流输入、输出功率）；寿命为充放电循环 1500 次以上（耐用年数约 10 年）；环保达到全部法定环境标准。

这种新型铁铬氧化还原液流电池具有如下优点：①电、热两用可以提高电池能量效率，由于这种电池可在建筑物地下空间设置电解液贮存箱，利用夜间电力蓄电同时蓄热，白天进行供电调峰和供热。②与太阳能电池、风力发电机配套，构成独立供电系统。③与太阳光发电板、铅蓄电池配套作为蓄电装置，当发电装置供给的电量大于负荷需要时，多余的电量给铅蓄电池和氧化还原液流电池充电；而当负荷用电量大于电源供给量时，铅蓄电池给负荷供电，同时氧化还原液流电池给铅蓄电池进行均等的充电。④可以利用钢厂废液或废弃物发电。⑤发电部分和贮能部分相分离，因而寿命长、成本低、使用灵活。

质子交换膜燃料电池

质子交换膜（PEM）燃料电池使用固体聚合物电解质，它与用在空间飞行器中的燃料电池相似。该电池中的薄膜组件为夹层结构，中间是固体聚合物电解质，在膜的两面上都有一层铂催化剂，在膜的两侧还分别有一个阳极和一个多孔碳阴极。与其他的燃料电池一样，用氢和富氢的物质（如甲醇和天然气）作为燃料。

在汽车上，PEM 燃料电池之所以有吸引力，是由于它能在需要时即刻提供动力，而磷酸燃料电池要经过一段时间才能达到全功率，然后才按恒定的输出功率正常工作。与由磷酸燃料电池驱动的机车（如 Marail）不同， PEM 燃料电池不需要辅助蓄电池就能提供停止后再启动的动力。

该项技术至今尚未成熟， Mazda 公司所表演的机车的最高速度仅为

40.23 公里/小时，在每充一次氢燃料之后，只能走 12.07 公里。该公司正集中力量研究如何提高功率输出并开发氢的存贮与处理技术，降低成本。

便携式燃料电池

日本三洋电机公司宣布，它已开发出世界上第一个高性能的便携式燃料电池。该公司称，这个燃料电池重 28 公斤，能产生 250 瓦功率，足够户外摄象或从事文娱活动用，对环境无害。该燃料电池采用磷酸和吸氢金属产生电能。预计还将研制家庭供电用的 2 千瓦或 3 千瓦的小型电池。

作为小型潜艇动力源的燃料电池

据英国 VSEI 公司报道，下一代小型潜艇将不会被声纳监测到。这家基地

设在巴隆的公司计划用无声燃料电池代替现在一般潜艇用的高噪声柴油机和电池系统。这种燃料电池一次就能使潜艇在水下作业达三个星期，而且无需补充燃料，电池靠氢氧产生电能。

该公司计划采用先让煤气通过被加热的催化剂，然后再使其与水反应的方法来从液态甲醇中提取氢气。而氧气以液态形式储存在潜艇的绝缘罐中。该公司发展部经理克莱夫·西摩说，传统的燃料电池使用的是液态电解

质，如果在潜艇的有限空间内泄漏，就会出现危险。而这种聚合物燃料电池所使用的是固态电解质，因而更安全、可靠。