氢能与燃料电池的发展现状与市场趋势

高温燃料电池能以天然气、甲烷、CO、气化煤气等作为燃料，电池堆产生的高温废气可以与燃气轮机组成联合循环发电系统，大大节约能源^［26］。因此，高温燃料电池被国内外公认为适合固定电站或燃料电池—汽轮机联合的新型发电技术^［27］。

美国是燃料电池研发最早的国家之一，早在20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）就已经开始将燃料电池应用于航天工程。日本和欧洲各国进步也很快，其中多个项目已经开始进行商业应用方面的示范演示。图13为西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂，它可以提供110kW的电力和64kW的热，发电效率达到46%，总效率接近75%^［25］。新泽西州已于2013年1月22日启动热电联产和燃料电池的补助计划，该计划向发电能力超过1兆瓦的热电联产或燃料电池提供资助，要求热电联产系统大于1兆瓦，余热利用必须达到至少65%，燃料电池项目超过1兆瓦的余热回收必须达到至少45%的效率。
 

在国外SOFC蓬勃发展的势态下，中国众多科研单位（如中国科学院大连化学物理研究所、吉林大学、清华大学、华中科技大学等），也相继开展了固体氧化物燃料电池的研究^{［28］［29］}。2007年，中国科学院过程工程所固体氧化物燃料电池课题组研发的“列管式不密封无连接固体氧化物燃料电池”发电成功。发电功率为每组35瓦的单电池组，由4个电池组组成的电堆进行了500小时的运行试验，并通过科技部组织的“863”项目验收。总之，目前中国已经具备了研制数千瓦级的SOFC发电系统的能力^［30］。

当今世界随着能源和环境的压力越来越大，世界各国积极发展固体氧化燃料电池，SOFC的商业化进程正在加速实施，以下是部分建成的SOFC燃料电池厂，如表6所示^［31］。
 

总之，固体氧化物燃料电池具有能量转换效率高、燃料适应性广、模块化组装、全固态、零污染等优点，可以直接利用氢气、天然气、煤气、液化气及一氧化碳等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分布电站和小型家用热电联供等利用领域，作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等，应用前景十分广阔。

三 直接甲醇燃料电池（DMFC）

（一）DMFC工作原理及简介

图14^［35］为DMFC的结构原理图。DMFC由阳极、电解质膜和阴极构成。甲醇在阳极转换成质子、电子和二氧化碳，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应生成水，电子通过外电路对外做功。其中，甲醇完全氧化生成二氧化碳是一个6电子的转移过程。理论上DMFC的电压基本上与氢氧燃料电池相近，但由于实际运行时电极极化和电池内阻引起的欧姆损失，DMFC输出电压会小于标准状态下的理论电压。
 

从严格意义上说，直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种特殊的PEMFC，只是用醇类或其他有机小分子代替氢气作为燃料。在过去的几十年内，DMFC由于其具有燃料来源广泛、容易储存和运输、价格便宜和氧化最终产物低污染的优势而受到越来越多的关注。尽管目前DMFC还存在诸如甲醇渗透和甲醇催化效率低等现象，导致DMFC的效率和性能降低；此外，其寿命和稳定性也尚不能满足市场的需求。但DMFC美好的前景，尤其是其在便携式电源领域里可操作性的前景，已经促使各大企业和科研单位将其作为重点研发方向而进行大量投入。

（二）DMFC在小型电源上的应用

DMFC市场大约可分为个人用便携式电子产品（100W以下）、电机（100～1000W）、电动摩托车（不超过1.5kW）、住宅用发电装置（5～15kW）、电动汽车（50～100kW）和小型电站（1MW）等。其中最具有发展潜

力的是个人便携式电子产品，包括笔记本电脑、数码相机、个人数字助理（PDA）、手机、摄像机和收音机等。

随着人们工作生活节奏的加快，笔记本电脑、手机等便携式产品被广泛使用，而目前普遍采用的铅酸蓄电池、锂离子电池越来越不能满足发展的需要，市场急需要寻求一种新型的电池取代目前的现状，直接甲醇燃料电池被认为是最有希望的化学电源而受到极大的关注^［32］。
 

自20世纪60年代开发至今，世界各国的厂商都在着力进行DMFC的研制，并取得显著进展。日本KDDI应用DMFC技术将甲醇微型燃料电池应用于3G手持电话充电器，二者均于2008年上市，如图15