1:PEMFC的研究現狀
我國最早開展PEMFC研究工作的是長春應用化學研究所，長春應用化學研究所於1990在中國科學院的支持下開始研究PEMFC。其工作主要集中在催化劑和電極的制備工藝以及甲醇外重整器的開發上，並已制造出100WPEMFC樣機。1994年率先開展直接甲醇質子交換膜燃料電池研究。該研究所與美國凱斯西儲大學和俄羅斯氫能與等離子體研究所建立了長期合作關系。中國科學院大連化學物理研究所在1993開展了PEMFC的研究，在電極技術和電池結構方面做了大量工作。現在已經研制出工作面積為140cm2的單體電池，輸出功率達到0.35W/cm2。
復旦大學在20世紀90年代初開始研發直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯並咪唑膜的制備和電極制備技術。廈大與香港大學和美國CaseWesternReserve大學合作開展直接甲醇PEMFC研究。
65438-0994，上海大學與北京石油大學合作研究PEMFC(“八五”重點項目)，主要研究催化劑、電極和電極膜組件的制備技術。
北京理工大學在兵器工業部的支持下於1995年開始了PEMFC的研究，單體電池電流密度為150mA/cm2。
中科院工程熱物理研究所從1994開始研究PEMFC，主要利用計算傳熱學和計算流體力學對供氣、加濕、排熱、排水等多種方案進行比較，提出了改進的傳熱傳質方案。
天津電力科學研究院於1997年啟動了PEMFC的研究，計劃從國外引進1.5kW電池，在分析吸收國外先進技術的基礎上開展研究。
從65438到0995，北京富源公司與加拿大新能源公司合作研發PEMFC，壹臺5kW PEMFC樣機已經研制成功並接受訂單。
2.簡介2:MCFC研究
國內開展MCFC研究的單位並不多。哈爾濱供電設備研究所在20世紀80年代末開始研究MCFC，90年代初停止了這方面的研究。
65438-0993，中科院大連化物所在中科院的支持下，開始了MCFC的研究，制備了LiAlO2微粉，用冷軋法和流延法制備了MCFC用隔膜，組裝了單體電池。其性能已達到80年代初的國際水平。
20世紀90年代初，中科院長春應用化學研究所也開始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制備方法和金屬間化合物作為MCFC陽極材料的研究上取得了重大進展。
20世紀90年代初，北京科技大學在國家自然科學基金的資助下開展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解液的相互作用，提出使用金屬間化合物作為電極材料，減少其溶解。
3.3:SOFC研究簡介
中國科學院上海矽酸鹽研究所對SOFC進行了最早的研究。他們在1971開始了對SOFC的研究，主要集中在對SOFC的電極材料和電解質材料的研究。20世紀80年代，在國家自然科學基金的支持下，開始了SOFC研究。系統研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽極材料、單SOFC的結構，初步掌握了濕化學法制備穩定氧化鋯納米粉體和致密陶瓷的技術。1989在吉林省青年科學基金的資助下，吉林大學開始研究將SOFC的電解質、正負極材料組裝成單體電池，並通過了吉林省科委的鑒定。1995由吉林省計委和國家計委資助450萬元。先後對電極、電解液、密封和連接材料進行了研究。單體電池開路電壓達到1.18V，電流密度為400mA/cm2。四節單體電池串聯的電池組可以使收音機和錄音機正常工作。
1991年，中國科學院化工冶金研究所在中國科學院的支持下開展了SOFC的研究。從材料上研究，制作了管狀和平板狀單體電池，功率密度0.09 w/cm2 ~ 0.12 w/cm2，電流密度150 ma/cm2 ~ 180 ma。1994年，該所從俄羅斯科學院烏拉爾分院電化學研究所進口了20W~30W堆疊式SOFC電池，電池壽命達到1200h·h..他們在分析俄羅斯的疊層結構、美國西屋的管狀結構和德國西門子的板狀結構的基礎上，設計了壹種新的六面體結構，吸收了非密封管狀結構的優點，電池的組合由金屬氈柔性連接，可以用常規陶瓷制備工藝制成。
1992華南理工大學在國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、汕頭大學李嘉誠研究基金、廣東省佛山基金的支持下，開始了SOFC的研究。組裝的管狀電池直接使用甲烷作為燃料，最大輸出功率為4mW/cm2，電流密度為17mA/cm2，連續工作時間為140h。發達國家把發展大型燃料電池作為重點研究項目，企業也投入巨資進行燃料電池技術的研發，取得了許多重要成果，使燃料電池廣泛應用於發電和汽車，取代傳統的發電機和內燃機。值得註意的是，這種重要的新型發電方式可以大大減少大氣汙染，解決電網供電和調峰問題。2MW、4.5MW、110MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，壹些發達國家已建成各種檔次的燃料電池電站。燃料電池的發展和創新會像壹百年前內燃機取代人力的技術突破引發的工業革命，計算機的發明和普及取代人力的計算、繪圖和文檔處理的計算機革命，網絡通訊的發展改變人們生活習慣的信息革命。燃料電池高效、無汙染、建設周期短、易維護、低成本的潛力，將在21世紀引爆新能源與環保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正以趕超之勢迅速進入工業規模應用階段，並將在21世紀成為繼火電、水電、核電之後的第四代發電方式。燃料電池技術在國外的迅速發展必須引起我們的註意，這已成為能源和電力行業不得不正視的課題。
磷酸燃料電池(PAFC)
受1973世界石油危機和美國PAFC研發的影響，日本決定開發各種類型的燃料電池。PAFC作為壹項大型節能發電技術，是由NEDO開發的。自1981年以來，開展了1000kW現場PAFC發電裝置的研發工作。1986年進行了200kW野戰發電裝置的研制，適用於偏遠地區的PAFC發電裝置或商用。富士電機公司是日本PAFC電池組的最大供應商。截至1992年底，公司已向國內外提供17套PAFC演示裝置。1997年3月，富士電機完成了分布式5MW設備的運行研究。作為現場設備，已有50kW、100kW、500kW等88種設備投入使用。下表顯示了富士電機公司交付的發電設備的運行情況。到1998，部分已經超過40000小時的目標壽命。
從70年代後半期開始，東芝公司以開發分布式燃料電池為中心，以110MW機和200kW機系列化了分布式電源。110MW發電機是世界上最大的燃料電池發電設備。從1989建於東京電力公司五井火力發電站。3月初發電成功後，經過5年多的現場測試，直至6月1965438，累計運行時間超過20000小時。在小型野戰燃料電池領域，1990年，東芝與美國IFC公司成立ONSI公司，將野戰燃料電池商業化，隨後開始向全球銷售野戰型200kW設備“PC25”系列。PC25系列燃料電池從1991年底運行到1998年4月，向全球銷售了174臺。其中，安裝在美國某公司的1號機和安裝在日本大阪市美天中心的大阪燃氣公司2號機先後超過4萬小時。在燃料電池的壽命和可靠性方面，40000h的累計運行時間是燃料電池的長期目標。東芝ONSI已經完成了官方商用機器PC25C的開發，並已經投放市場。PC25C作為21世紀新能源先鋒，榮獲日本國際貿易工業獎。從燃料電池商業化開始，該設備被評價為先進、可靠、優越的環保設備。其制造成本為3000美元/千瓦，而商業化的PC25D設備成本將降至1.500美元/千瓦，體積比PC25C減少1/4，質量僅為14t。2001中國將迎來第壹座PC25C燃料電池電站，主要由日本MITI(NEDO)出資，這將是中國第壹座燃料電池電站。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
加拿大著名公司Ballard是PEMFC技術的全球領導者，其應用領域從車輛到固定電站。其子公司BallardGenerationSystem被認為是零排放質子交換膜燃料電池研發、生產和市場化的世界領導者。BallardGenerationSystem最初的產品是壹個250kW的燃料電池電站，其基本組件是Ballard燃料電池，利用氫氣(從甲醇、天然氣或石油中獲得)和氧氣(從空氣中獲得)進行發電，無需燃燒。Ballard正在與世界上許多著名公司合作，將BallardFuelCell商業化。BallardFuelCell已在固定發電廠使用:BallardGenerationSystem由BallardGenerationSystem、GPUInternationalInc、AlstomSA和EBARA公司聯合成立，共同開發千瓦級以下的燃料電池發電廠。經過五年的發展，首臺250kW電廠於1997年8月發電成功，並於1999年9月送至印度國家能源公司。經過仔細的測試和評估，提高了設計性能，降低了成本，這導致了第二個電廠的誕生，它安裝在柏林，輸出功率為250kW，也是歐洲的第壹次測試。不久，Ballard的第三個250千瓦發電廠於2000年9月安裝在瑞士進行現場測試，然後，2000年6月，通過其合作夥伴EBARABallard，第四個燃料電池發電廠安裝在日本的NTT公司，打開了亞洲市場。在不同領域進行測試將極大地促進燃料電池電站的商業化。第壹個早期的商業電廠將於2006年5月38日結束。下圖是安裝在美國Cinergy的Ballard燃料電池裝置，正在進行測試。
圖為安裝在柏林的250千瓦PEMFC燃料電池電站:
在美國，PlugPower是最大的質子交換膜燃料電池開發公司，他們的目標是開發和制造適用於居民和汽車的經濟型燃料電池系統。1997年，PlugPower模塊首次成功將汽油轉化為電能。PlugPower公司開發了其專利產品PlugPower7000，這是壹種用於住宅的分布式供電系統。2001年初推出商業產品。家用燃料電池的引入將使核電站和燃氣電廠面臨挑戰。為了推廣這款產品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產品更名為GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負責全球推廣。該產品將提供7kW的持續功率。GE/Plug公司聲稱其2001年初的價格為1500美元/kW。他們預測，五年後，量產燃料電池的價格將降至500美元/千瓦。假設有200，000個家庭，每個家庭都配備了7kW家用燃料電池發電設備，其總和將接近核電機組的容量。這種分散式發電系統可用於高峰供電，並且由於分散式系統設計，增加了電力的穩定性。即使其中幾個出現故障，整個發電系統仍然可以正常運行。在Ballard公司的推動下，許多汽車制造商參與了燃料電池汽車的開發，如克萊斯勒、福特、通用、本田、日產、大眾和沃爾沃。他們使用的許多燃料電池是由Ballard公司生產的。與此同時，他們也投入大量資金開發燃料電池。克萊斯勒向Ballard公司註資4.5億加元開發燃料電池汽車，極大地促進了PEMFC的發展。1997年，豐田制造了壹輛裝有甲醇重整器的RAV4跑車，由壹個25kW的燃料電池和輔助幹電池提供全部50kW的能量，最高時速125km/h，行程500km。這些大的汽車公司都有燃料電池發展計劃。雖然燃料電池汽車商業化的時機尚未成熟，但幾家公司已經確定了開始量產的時間表。戴姆勒-奔馳公司宣布，到2004年，它將每年生產40，000輛燃料電池汽車。因此，未來十年，極有可能達到10萬輛燃料電池汽車。
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
20世紀50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)因其作為大規模民用發電裝置的前景而引起了全世界的關註。之後MCFC發展很快，在電池材料、工藝、結構上都有了很大的提升，但是電池的工作壽命並不理想。80年代已被視為第二代燃料電池，成為實現兆瓦級商用燃料電池電站的主要研究目標，發展速度日益加快。MCFC的主要開發者集中在美國、日本和西歐。預計將於2002年商業化。
美國能源部2000年撥款4420萬美元用於固定燃料電池發電廠的研究，其中2/3用於MCFC的發展，1/3用於SOFC的發展。美國MCFC技術的開發壹直以來主要由兩大公司承擔，ERC(EnergyResearchCorporation)(現為FuelCellEnergyInc)和M-CPower公司。他們用不同的方式建造MCFC反應堆。兩家公司都已進入現場演示階段:ERC1996已對加利福尼亞州聖克拉拉的壹座2MW MCFC發電站進行了實證測試，並正在尋找測試3MW設備的場地。ERC的MCFC燃料電池在電池內沒有燃料氣體的情況下進行重整，沒有單獨的重整器。根據測試結果，ERC對電池進行了重新設計，將電池改為250kW的單體電池堆，而不是原來的125kW的電池堆，這樣3MW的MCFC就可以安裝在0.1英畝的場地上，降低了投資成本。預計ERC將提供3MW設備，設備成本為$1200/kW。這接近於小型燃氣渦輪發電機的設備成本$65，438+0，000/kW。而小型燃氣發電效率只有30%，存在廢氣排放和噪音問題。與此同時，美國M-CPower公司已經在加州聖地亞哥的海軍航空站進行了250kW裝置的測試，並計劃在同壹地點測試和改進75kW裝置。M-CPower公司正在開發500kW模塊，並計劃於2002年開始生產。
日本對MCFC的研究始於1981年的“月光計劃”，1991年後轉向聚焦。燃料電池每年支出12-15億美元，政府在1990中追加2億美元。電池堆的功率在1984是1kW，在1986是10kW。日本既研究內變又研究外變技術，30kW間接內變MCFC於1991年投入試運行。1992 50-100kW試運行。1994年，兩臺100kW、電極面積1m2的MCFC分別由日立和石川島完成，帶壓改造。此外，中央電力公司生產的1MW外重整MCFC正在川越熱電廠安裝。據預測，當使用天然氣作為燃料時，熱電效率將大於45%，使用壽命將大於5000小時..三菱電機與美國ERC公司合作開發的內重整30kWMCFC已運行10000小時..三洋還開發了30kW內部重整MCFC。石川島鉆磨重工擁有世界上最大面積的MCFC燃料電池堆，其試驗壽命達到了13000h·h..為了促進MCFC的研發，日本在1987成立了MCFC研究會，負責燃料電池堆運行、電廠外圍設備和系統技術等方面的研究。已加入14部隊成為日本研發主力。
早在1989年，歐洲就制定了1焦耳計劃，目標是建立環境汙染少、分散安裝、200MW功率的“第二代”電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC，並將任務分配到各個國家。對MCFC的研究主要在荷蘭、意大利、德國、丹麥和西班牙進行。荷蘭對MCFC的研究從1986開始，1kW級電池堆是1989年研制的；10kW級外轉換型和1kW級內轉換型電池堆在1992測試，煤氣化和煤氣化在1995測試。意大利在1986年開始實施MCFC國家研究計劃，在1992+0994年開發了50-100kW電池堆。意大利安索多公司與國際金融公司就MCFC技術簽署協議，已安裝壹套單體電池自動化生產設備(面積1m2)，具備年生產能力。德國MBB公司在1992年完成了10kW外轉換技術的研發。在ERC的協助下，在1992 -1994進行了100kW和250kW電池組的制造和運行試驗。現在，MBB擁有世界上最大的280千瓦電池組。
數據顯示，MCFC與其他燃料電池相比具有獨特的優勢:
A.發電效率高於PAFC；
b、不需要昂貴的鉑作為催化劑，制造成本低；
C.壹氧化碳可以用作燃料；
D.由於MCFC的工作溫度為600-1000℃，排出的氣體可用於供熱或與汽輪機聯合發電。如果熱電聯產，效率可以提高到80%；
E.比較幾種發電方式，負荷指數大於45%時，MCFC發電系統成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC的初期投資較高，但PAFC的燃料成本遠高於MCFC。當發電系統是中小型分散時，MCFC的經濟性更為突出；
MCFC的結構比PAFC的簡單。
固體氧化物燃料電池(SOFC)
SOFC由通過陶瓷如氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)提供能量的電解質和通過多孔材料提供能量的燃料和空氣電極組成。空氣中的氧在空氣電極/電解質界面被氧化，在空氣和燃料的氧差的作用下在電解質中移動到燃料電極側，並在燃料電極電解質界面與氫或壹氧化碳反應生成水蒸氣或二氧化碳並釋放電子。電子通過外電路，再次回到空氣電極，這時就產生了電。
SOFC的特點如下:
由於高溫運行(600-1000℃)，通過設置底循環，可獲得效率超過60%的高效發電。
因為氧離子在電解質中運動，所以CO和煤氣化氣體也可以用作燃料。
因為電池本體的材料都是固體，所以沒有電解液的蒸發和流動。此外，燃料電極和空氣電極不會被腐蝕。l操作溫度高，可進行甲烷等內改性。
與其他燃料電池相比，發電系統簡單，可以期待從小容量的設備向大型設備發展，用途廣泛。
在固定電站領域，SOFC比PEMFC有明顯的優勢。SOFC很少需要處理燃料，內部重整、內部熱集成和內部歧管使系統設計更簡單，SOFC、燃氣輪機等設備也容易進行高效熱電聯產。下圖是世界上第壹個由西門子西屋公司開發的SOFC和燃氣輪機混合電站。2000年5月安裝在加州大學，功率220kW，發電效率58%。未來SOFC/燃氣輪機發電效率將達到60-70%。
SOFC被稱為第三代燃料電池，正在積極研發中，是新興的新型發電方式之壹。美國是世界上最早研究SOFC的國家，美國西屋電氣公司在其中發揮了特別重要的作用，成為SOFC研究最權威的機構。早在1962年，西屋電氣公司就在SOFC試驗裝置中使用甲烷作為燃料獲得電流，並指出碳氫燃料在SOFC必須完成催化轉化和電化學反應兩個基本過程，為SOFC的發展奠定了基礎。隨後的10年，公司與OCR合作，連接了400個小型圓柱形ZrO _ 2-Cao電解質，試制了100W電池，但這種形式不適用於大型發電裝置。20世紀80年代以後，為了開辟新能源，緩解石油資源短缺帶來的能源危機，SOFC研究蓬勃發展。美國西屋電氣公司將電化學氣相沈積技術應用於SOFC電解液和電極薄膜的制備過程中，將電解液層的厚度降低到微米級，顯著提高了電池的性能，從而在SOFC的研究中翻開了新的壹頁。在20世紀80年代中後期，它開始研究高功率SOFC電池組。1986，400W管式SOFC電池組在田納西州成功運行。
燃料電池
此外，美國其他壹些部門在SOFC也有壹定的實力。位於匹茲堡的PPMF是SOFC技術商業化的重要生產基地。擁有SOFC電池組件加工、電池組裝、電池質量檢測成套設備，是全球最大的SOFC技術研發中心。1990年，該中心為美國DOE制造了壹臺20kW的SOFC裝置，該裝置以管道煤氣為燃料，已連續運行超過1700小時。同時，該中心還為東京大阪煤氣公司和關西電力公司提供了兩套25kW SOFC試驗裝置，其中壹套是熱電聯產裝置。此外，美國argon國家實驗室還研究開發了層壓波紋板SOFC電池堆，並開發了適合這種結構材料成型的澆鑄法和壓延法。電池的能量密度顯著提高，這是壹種有前途的SOFC結構。在日本，SOFC研究是“月光計劃”的壹部分。早在1972，電子綜合技術研究所就開始研究SOFC技術，後來加入了“月光計劃”的研發行列。1986年研制出500W圓管SOFC電池組，形成1.2kW發電裝置。東京電力公司和三菱重工從1986到65438+2月開始開發圓管SOFC裝置，獲得了輸出功率為35 W的單體電池，在電流密度為200mA/cm2時，電池電壓為0.78V，燃料利用率達到58%。1987年7月，電力開發公司與這兩家公司合作開發了1kW SOFC電池組，連續試運行1000h，最大輸出1.3kW，關西電力公司、東京燃氣公司、大阪燃氣公司等機構從美國西屋電氣公司進口了3kW和2.5kW管式SOFC電池組，取得了滿意的效果。從1989開始，東京燃氣公司也開始研發大面積平板SOFC裝置。1992年6月，100W的平板SOFC器件完成，電池有效面積達到400cm2。目前，富士和三洋公司開發的平板SOFC功率已達到千瓦級。此外，中央電力公司與三菱重工合作，從1990開始研究和綜合評價疊層波紋板SOFC系統，並開發了406W試驗裝置。該裝置單節電池的有效面積達到131cm2。
在歐洲，早在20世紀70年代，聯邦德國海德堡中央研究院就研制出圓管或半圓管電解質結構的SOFC發電裝置，單體電池運行良好。20世紀80年代後期，在美日的影響下，歐共體積極推動SOFC在歐洲的商業化。德國西門子、DomierGmbH和ABB研究公司致力於開發千瓦級平板SOFC發電裝置。西門子還與荷蘭能源中心(ECN)合作開發了有效電極面積為67cm2的開板式SOFC電池。ABB研究公司在1993中開發了壹種改進的平板千瓦SOFC發電裝置。電池為金屬雙極結構，實驗在800℃下進行，效果良好。現在我們正在考慮把它做成壹個25 ~ 100 kW的SOFC發電系統，供家用或商用。