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MCFC1997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SOFC1984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SOFC1987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SOFC1996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－signalSOFCoZ－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SOFC1995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BMWRover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
