燃料電池發(fā)展前景及其應(yīng)用

1、燃料電池發(fā)展前景及其應(yīng)用一. 燃料電池的發(fā)展前景燃料電池發(fā)電裝置每發(fā)電1000kw/h排出污染物<1盎司，而常規(guī)燃燒裝置為25磅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年全球擁有50萬(wàn)個(gè)固定的（靜止式）燃料電池裝置，到2010年，將有250萬(wàn)戶家庭使用燃料電池，同時(shí)全球擁有60萬(wàn)臺(tái)燃料電池汽車(chē)，占世界汽車(chē)生產(chǎn)量的1%。2005年，從事燃料電池開(kāi)發(fā)的公司總投資額已超過(guò)10億美元。 預(yù)計(jì)到2010年左右，燃料電池在價(jià)格上將具備與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的能力。屆時(shí)，美國(guó)市場(chǎng)上以燃料電池為動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車(chē)將占美國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)4%的份額，日本和西歐燃料電池汽車(chē)將分別占市場(chǎng)份額的4.5%和3.7%，到2020年，燃料電池汽車(chē)將占世界汽車(chē)市場(chǎng)

2、的25%。表1列出美國(guó)新一代運(yùn)輸用汽車(chē)市場(chǎng)價(jià)值。表1. 美國(guó)新一代運(yùn)輸用汽車(chē)市場(chǎng)價(jià)值，百萬(wàn)美元1998200020012002200720022007年年均增長(zhǎng)率，%燃料電池汽車(chē)混合型汽車(chē)全電動(dòng)汽車(chē)合計(jì)0.552.501984.001987.051.10198.92264.02464.01.10453.752721.703176.552.25719.002707.703428.9547.62293.03627.05967.684.126.16.011.7 燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)雖還不大，美國(guó)2002年為225萬(wàn)美元，但后5年內(nèi)，年均增長(zhǎng)率為84%，2007年將達(dá)到4760萬(wàn)美元。大多數(shù)汽車(chē)制造商都看

3、好質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池汽車(chē)技術(shù)，另外，固體氧化物燃料電池在輔助動(dòng)力應(yīng)用中也可望起重要作用。車(chē)載燃料電池組件市場(chǎng)現(xiàn)為12000萬(wàn)美元，但今后5年內(nèi)，預(yù)計(jì)年均增長(zhǎng)率為91%。 據(jù)PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司估計(jì)，全球燃料電池市場(chǎng)到2011年將達(dá)到350億美元。另?yè)?jù)ABI公司的保守估計(jì)，到2013年全球燃料電池市場(chǎng)將達(dá)380億美元。據(jù)SRI咨詢公司預(yù)測(cè)，2008年燃料電池市場(chǎng)約50億美元，到2013年預(yù)計(jì)市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)456億美元。靜止式燃料電池市場(chǎng)將從2008年20億美元增大到2013年100億美元，便攜式燃料電池2013年市場(chǎng)將達(dá)250億美元，汽車(chē)燃料電池市場(chǎng)

4、將從2008年6億美元增大到2013年100億美元。二. 使用各種燃料的燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，世界化學(xué)品生產(chǎn)商塞拉尼斯公司、杜邦公司、巴斯夫公司、Methanex公司，燃料電池開(kāi)發(fā)商Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司、國(guó)際燃料電池公司以及汽車(chē)生產(chǎn)商戴姆勒-克萊斯勒公司、福特汽車(chē)公司、現(xiàn)代汽車(chē)公司、大眾汽車(chē)公司等都紛紛聯(lián)手開(kāi)發(fā)燃料電池和燃料電池汽車(chē)。按燃料電池所用原始燃料的類型，大致分為氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和汽油燃料電池。1. 氫燃料電池 通用汽車(chē)公司已研制成功使用液氫燃料電池產(chǎn)生動(dòng)力的零排放概念車(chē)“氫動(dòng)一號(hào)”，該車(chē)加速快，操作靈活，從0100km/h加速僅16秒，最高時(shí)速可達(dá)140

5、km/h，續(xù)馳里程400km?？諝猱a(chǎn)品公司、普拉克斯公司作為領(lǐng)先的液氫供應(yīng)商，其供氫站已經(jīng)可為氫燃料電池汽車(chē)供應(yīng)2434MPa的液氫。 2003年4月林德公司為德國(guó)Adam Opei公司建造了世界上第一座70MPa氫氣充氣站，這標(biāo)志著以氫氣為動(dòng)力的汽車(chē)社會(huì)進(jìn)入一個(gè)重要的里程碑。與常規(guī)的35MPa系統(tǒng)相比，70MPa技術(shù)有較高的貯氫密度，可復(fù)蓋燃料電池汽車(chē)60%70%的范圍。這一技術(shù)進(jìn)展使燃料電池汽車(chē)行駛里程可超過(guò)400 km，這是推廣使用以壓縮氫為動(dòng)力的汽車(chē)最重要的前堤之一。設(shè)置于德國(guó)多登赫芬Opel試驗(yàn)中心的這套充氣站，由林德公司設(shè)計(jì)和建造，它可將氫氣供給Opel燃料電池汽車(chē)。該充氣站由10

6、000升液氫罐藉林德設(shè)計(jì)的下游蒸發(fā)器向汽車(chē)供氧，該液氫罐供氫速率為40立方米/分鐘，可使汽車(chē)在約3.5分鐘內(nèi)充滿。帶有優(yōu)化動(dòng)力消耗的智能壓縮技術(shù)，每壓縮一標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣僅耗用動(dòng)力0.18 kwh，該數(shù)值大大低于其他各種充氣站。汽車(chē)貯氫罐充氣程序符合高度的安全標(biāo)準(zhǔn)。截止2005年9月，戴姆勒克萊斯勒公司生產(chǎn)的200輛燃料電池汽車(chē)已行駛于歐洲及美國(guó)、日本和新加坡的街頭。殼牌公司氫氣公司與通用汽車(chē)公司合作，于2005年初在北美華盛頓現(xiàn)有一零售汽油加油站投用了第一個(gè)充氫站，采用了空氣產(chǎn)品和化學(xué)品公司200系列液氫充裝技術(shù)，6臺(tái)通用公司Hydrogen3燃料電池汽車(chē)已首次在此加氫。雪佛龍德士古技術(shù)公司（

7、雪佛龍德士古公司子公司）于2005年5月在美國(guó)奇諾（Chino）現(xiàn)代-起亞美國(guó)技術(shù)中心，投用了第一座雪佛龍氫能站。該項(xiàng)目是美國(guó)能源部氫能技術(shù)5年計(jì)劃的一部分。新的注氫站為現(xiàn)代5輛Tucson和起亞Sportage燃料電池汽車(chē)加注氫氣，這些燃料電池汽車(chē)采用質(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)。燃料電池動(dòng)力為80kw，可在嚴(yán)寒環(huán)境下行駛。陶氏化學(xué)公司與通用汽車(chē)公司（GM）合作，在美國(guó)得州自由港石油化工企業(yè)建設(shè)了大型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，生產(chǎn)1MW電力，該燃料電池項(xiàng)目最終可供應(yīng)35MW電力，占陶氏化學(xué)公司該生產(chǎn)地所需電力的2%?？纱蟠筇嵘龤錃獾睦脙r(jià)值。成為迄今最大的商業(yè)化燃料電池應(yīng)用設(shè)施。陶氏化學(xué)公司從自由港提供

8、副產(chǎn)的氫氣以驅(qū)動(dòng)該燃料電池，該燃料電池的投用減少了排放污染，并與其他能源供應(yīng)展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。荷蘭NedStack公司建造200Kwe（峰值）燃料電池發(fā)電模塊，用以與阿克蘇-諾貝爾堿化學(xué)品公司（鹿特丹）氯堿裝置生產(chǎn)相鏈結(jié)，燃料電池耗用電解槽副產(chǎn)的氫氣，并產(chǎn)生電力供電解裝置使用，該設(shè)施定于2005年10月投用。此概念己于2005年1月獲得驗(yàn)證：燃料電池運(yùn)行采用阿克蘇-諾貝爾公司中型電解裝置的氫氣，在實(shí)際壽命條件下，發(fā)電效率達(dá)到61.8%。該P(yáng)EM（質(zhì)子交換膜）型燃料電池設(shè)計(jì)的連續(xù)工作時(shí)間為40000小時(shí)（不用維修），汽車(chē)應(yīng)用為3000小時(shí)。NedStack公司還在設(shè)計(jì)更大的燃料電池發(fā)電模塊，可發(fā)電50M

9、W（峰值為200MW），預(yù)計(jì)2007年建成。另外，意大利Uhdenora公司和美國(guó)Nuvera燃料電池公司開(kāi)發(fā)的模塊式燃料電池系統(tǒng)，也可望使用氯堿裝置過(guò)剩的氫氣發(fā)電。目標(biāo)是減少裝置電耗約20%。該燃料電池系統(tǒng)己開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 鑒于燃料電池?cái)y帶純氫成本高、安全性差、汽車(chē)一次補(bǔ)充燃料行車(chē)?yán)锍潭?，且純氫貯存、運(yùn)輸比較困難，許多公司正在發(fā)展與燃料電池配套的貯氫技術(shù)。能源轉(zhuǎn)換設(shè)備公司開(kāi)發(fā)了基于氧化鎂固體的貯氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在約300下釋放出氫氣，這種材料的氫密度為103g/l，而液氫密度為71g/l，利用這種貯氫罐可使燃料電池汽車(chē)行駛482km。千年電池公司也開(kāi)發(fā)出基于硼氫化鈉的化學(xué)貯氫技術(shù)，30%

10、硼氫化鈉水溶液與催化劑接觸，可產(chǎn)生氫氣和硼酸鈉副產(chǎn)物。其貯氫密度也可與液氫密度相比擬，30%的溶液中氫密度為63g/l。豐田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的“FCHV3” 燃料電池汽車(chē)采用氫吸附合金供氫方式，配備鎳氫電池發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該車(chē)最高時(shí)速可達(dá)150km，續(xù)馳能力在300km以上，燃料電池輸出功率高達(dá)90kw。日本馬自達(dá)公司也推出“DEM10-FCEV” 燃料電池汽車(chē)，以氫為燃料，在車(chē)廂后部載有8個(gè)可容納1.5m3（0，0.1MPa）的氫吸附合金容器，每個(gè)容器外形尺寸為540mm×70mm×110mm。最高時(shí)速可達(dá)140km，燃料電池最大輸出功率為50kw。該車(chē)每次充滿氫氣可行走17

11、0km。殼牌氫氣公司與美國(guó)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備公司成立貯氫系統(tǒng)合資企業(yè)，開(kāi)發(fā)固體氫化物貯氫技術(shù)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，車(chē)載貯氫罐提供氫燃料的燃料電池汽車(chē)巳推向市場(chǎng)。BP公司作為全球氫燃料示范項(xiàng)目主要參與者，在中國(guó)的首座加氫站于2006年投入運(yùn)行。BP與中國(guó)簽署合作協(xié)議，參與了中國(guó)的氫燃料汽車(chē)示范項(xiàng)目。2005年下半年，其氫燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)行活動(dòng)首先在北京、上海兩地進(jìn)行。這兩地將各采購(gòu)6輛氫燃料電池公共汽車(chē)進(jìn)行運(yùn)行，目標(biāo)是使12輛車(chē)運(yùn)行里程達(dá)到160萬(wàn)公里。目前，BP在全球每天約生產(chǎn)5000噸氫，其中包括1300噸高純度氫。未來(lái)在華落地的加氫站將是在氫能民用化、商業(yè)化方面的一種嘗試。早在2004年5月，BP就在

12、位于新加坡的一個(gè)零售加油站成功增加了加氫設(shè)備，使得該公司成為全球首個(gè)在傳統(tǒng)加油站提供環(huán)保氫燃料的公司。上海同濟(jì)大學(xué)、殼牌氫能公司和殼牌（中國(guó)）有限公司三方已簽署協(xié)議，共同建造上海首座固定加氫站，為使用燃料電池的汽車(chē)提供加氫服務(wù)。同濟(jì)大學(xué)與殼牌將在上海國(guó)際汽車(chē)城建造這座新的加氫站，由雙方共同進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造。維護(hù)和運(yùn)營(yíng)。加氫站內(nèi)還設(shè)有一個(gè)有關(guān)氫能經(jīng)濟(jì)的信息中心。這座加氫站將于2006年底建成，是國(guó)家科技部發(fā)展電動(dòng)車(chē)的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的一部分。2006年，上海將有10輛使用燃料電池的汽車(chē)投入運(yùn)營(yíng)，并計(jì)劃于2010年增加到1000輛，其中包括全球環(huán)境基金通過(guò)聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署資助的使用燃料電池的公交車(chē)。面對(duì)全

13、球石油資源日益緊張的形勢(shì)，建立首座固定加氫站對(duì)于上海實(shí)現(xiàn)氫能利用的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是重要的一步。殼牌正在世界范圍內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)“燈塔項(xiàng)目”的戰(zhàn)略，“燈塔項(xiàng)目”以4個(gè)或更多的加氫站為一組，由殼牌和其他能源公司以半商業(yè)化方式運(yùn)營(yíng)，通過(guò)政府與企業(yè)合作，為100多輛燃料電池汽車(chē)提供加氫服務(wù)。2. 甲烷燃料電池使用甲烷（天然氣）作為燃料電池的燃料可避免貯氫和補(bǔ)充氫燃料的后勤問(wèn)題。但是，在燃料電池的陽(yáng)極直接氧化甲烷還很困難。在固體氧化物燃料電池中，如工作溫度超過(guò)800，會(huì)發(fā)生碳質(zhì)沉積物污染電極問(wèn)題，如溫度低于800，則會(huì)降低功率密度。美國(guó)西北大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)采用改進(jìn)固體氧化物燃料電池性能的方法，在鎳系陽(yáng)極中加入氧

14、化釔并摻雜二氧化鈰形成多孔電極，僅650就能達(dá)到很高的功率密度，這樣的溫度也不會(huì)引起碳沉積問(wèn)題。利用蒸汽轉(zhuǎn)化在約500下由甲烷生產(chǎn)氫氣時(shí)，由于熱動(dòng)力學(xué)平衡限制，甲烷只能分解40%左右，若將溫度提高到1000以上，分解可提高到近100%，但產(chǎn)生大量CO2副產(chǎn)品。日本東京技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)了可使甲烷完全分解而無(wú)CO2副產(chǎn)品的工藝技術(shù)，該工藝在500以下及低于0.1MPa壓力下進(jìn)行。甲烷在氧化硅載體的鎳催化劑上分解為氫氣和碳，碳形成細(xì)粉末可回收。產(chǎn)品氣體含氫約40%，通過(guò)金屬氧化物，如Fe2O3和In2O3，氫可使氧化物還原為金屬。這樣，在300左右，用蒸汽可使金屬重新氧化得到大量純氫。它可安置在燃料電

15、池車(chē)輛上為燃料電池提供氫氣。它不產(chǎn)生CO2，與常規(guī)的甲烷轉(zhuǎn)化技術(shù)相比具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)。Energex公司開(kāi)發(fā)了天然氣膜法脫氮用于燃料電池的技術(shù)。該系統(tǒng)將天然氣預(yù)處理后送入催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生氫氣供磷酸燃料電池使用。在轉(zhuǎn)化器中，如氫轉(zhuǎn)化成氨，它會(huì)與酸反應(yīng)，縮短燃料電池組合塊壽命。脫氮系統(tǒng)采用空心纖維膜，在由微孔聚丙烯支撐的結(jié)構(gòu)上涂覆0.5m厚聚硅烷，形成氣體分離阻檔層阻止N2，第一套工業(yè)化裝置處理的氣體己供應(yīng)給Omaha公司的四臺(tái)200kw燃料電池組運(yùn)行。氮的減少可使該燃料電池組壽命延長(zhǎng)四倍，達(dá)到6年。更換燃料電池的費(fèi)用為2500美元/kw，而降氮費(fèi)用小于600美元/kw。天然氣的含氮量從8.5%減小

16、到6%即可滿足用戶要求。該公司擬建的大規(guī)模系統(tǒng)可將粗天然氣的含氮量減小到任意的管輸規(guī)格。3. 甲醇燃料電池戴姆勒-克萊斯勒公司、巴斯夫公司、BP公司、Methanex公司、Statoil公司和Xcellsis公司聯(lián)合將甲醇燃料電池汽車(chē)推向商業(yè)化，開(kāi)發(fā)了以甲醇為燃料的燃料電池汽車(chē)NECAR 5。甲醇是一種理想的液體貯氫介質(zhì)，在常溫下為液體，可像汽油或柴油燃料一樣運(yùn)輸、貯存和處理。甲醇轉(zhuǎn)化制氫所用的催化劑為巴斯夫公司提供的氧化銅催化劑和其他金屬氧化物催化劑。在甲醇和水混合進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后，高活性的催化劑可使甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)生大量氫氣，工作溫度為200350。NECAR 5的推出，標(biāo)志著甲醇燃料電池技術(shù)向商業(yè)

17、化邁出了重要一步。戴姆勒-克萊斯勒公司推出的NECAR 5汽車(chē)堪稱是燃料電池技術(shù)的里程碑。這種燃料電池動(dòng)力汽車(chē)在美國(guó)已完成了3000英里行車(chē)試驗(yàn)。NECAR 5汽車(chē)于2002年5月20日離開(kāi)舊金山，穿越了內(nèi)華達(dá)山脈和落磯山脈進(jìn)入華盛頓，這一驗(yàn)證性行車(chē)是燃料電池動(dòng)力汽車(chē)第一次經(jīng)過(guò)各種地帶的長(zhǎng)距離行車(chē)，包括長(zhǎng)時(shí)間的高溫和氣溫超過(guò)32的工作環(huán)境。NECAR 5是戴姆勒-克萊斯勒公司開(kāi)發(fā)的第5代燃料電池汽車(chē)，由Ballard燃料電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)，該系統(tǒng)包括車(chē)載甲醇轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)化器從液體甲醇抽取氫氣驅(qū)動(dòng)燃料電池。汽車(chē)主體為Mercedes-Benz A級(jí)類型。在穿越美國(guó)的行車(chē)試驗(yàn)中，汽車(chē)每300英里用克萊

18、斯勒分配器配給的甲醇補(bǔ)加一次燃料。甲醇由Methanex公司提供。第一座支撐甲醇動(dòng)力燃料電池汽車(chē)的甲醇加注站已在加州薩克拉門(mén)托對(duì)外營(yíng)業(yè)。該站由加州燃料電池聯(lián)合體（CaFCP）運(yùn)作。該站設(shè)計(jì)采用了包括瑞典Identic公司開(kāi)發(fā)的加注新技術(shù)，系統(tǒng)包括防虹吸設(shè)施和汽車(chē)與燃料噴嘴之間的固定閉鎖器。甲醇貯存在2000加侖的雙壁罐內(nèi)。現(xiàn)在，西薩克拉門(mén)托地區(qū)己運(yùn)營(yíng)8家汽車(chē)生產(chǎn)商生產(chǎn)的16臺(tái)燃料電池動(dòng)力車(chē)。加注站由甲醇燃料電池聯(lián)盟設(shè)計(jì)和建設(shè)。甲醇燃料電池聯(lián)盟是包括CaFCP成員：Methanex、戴姆勒-克萊斯勒、BP和Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司，與Statoil公司和巴斯夫公司組成的工業(yè)集團(tuán)。杜邦和英國(guó)的C

19、MR燃料電池公司分別開(kāi)發(fā)高性能直接式甲醇燃料電池技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)可從燃料電池就地發(fā)電，而無(wú)需單獨(dú)的轉(zhuǎn)化器將甲醇轉(zhuǎn)化為氫氣。其已生產(chǎn)出直接甲醇燃料電池的樣機(jī)，其大小為目前用于便攜式電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電池的1/10，成本為1/5。這種燃料電池的工作時(shí)間，比筆記本電腦和其他電子設(shè)備中的常規(guī)電池要長(zhǎng)4倍。而且，該燃料電池可以用甲醇進(jìn)行即時(shí)充電。CMR的新型燃料電池，是基于一種將空氣與燃料混合的新型電池組。在此之前，電池組依賴于空氣和燃料的完全分離。杜邦公司第4代（Gen IV）燃料電池技術(shù)是新一代膜電極組合體（MEA），可提高直接式甲醇燃料電池的性能。該MEA發(fā)電量比普通MEA提高20%，工作時(shí)間增加一倍以

20、上，所需催化劑大大減少。新型MEA的性能大大提高，可以使其成為更有成本效益的燃料電池系統(tǒng)。韓國(guó)LG化學(xué)公司成功開(kāi)發(fā)出便攜式甲醇燃料電池，2005年投入規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)悉，該燃料電池的使用壽命超過(guò)4000小時(shí)，比其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品壽命長(zhǎng)8倍。LG化學(xué)開(kāi)發(fā)的是一種體積小的微型電池，電池的甲醇燃料容量小于1升，質(zhì)量小于1千克。它易于攜帶，適用于微型電腦或?yàn)槠渌娮友b置供電。一個(gè)容量約200ml的甲醇燃料貯存器可供25W的微型電腦使用10個(gè)多小時(shí)，是世界上同類產(chǎn)品中電力輸出功率最大的系統(tǒng)。特別是它適用于便攜式多媒體播放、數(shù)字多媒體播音、電話和微型電腦等一些采用USB接口供電的裝置。由于這些電子裝置對(duì)電力

21、的要求增加，該公司打算進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能產(chǎn)生5W50W電力的多種燃料電池，以拓寬其應(yīng)用范圍。索尼公司通過(guò)應(yīng)用更有效的電解膜提升直接甲醇燃料電池（DMFC）功能取得進(jìn)展。據(jù)悉，該電解膜是碳籠烯衍生物和粘合樹(shù)脂的結(jié)合物。據(jù)報(bào)道，與現(xiàn)有的電解膜比較，這種新電解膜可使甲醇滲透性減少15至一半，從而提高了燃料電池的發(fā)電量。所謂的甲醇滲透就是甲醇通過(guò)電池另一側(cè)與陰極處的氧反應(yīng)產(chǎn)生熱而不是發(fā)電，因此會(huì)導(dǎo)致燃料電池功能減退。在室溫條件下，采用這種新膜的實(shí)驗(yàn)室DMFC模型的動(dòng)力輸出密度已達(dá)100MWcm2，這是當(dāng)今世界的最高水平。另?yè)?jù)報(bào)道，日本可樂(lè)麗公司研究的用于直接甲醇燃料電池的高功能烴基電解膜獲得成功。可樂(lè)麗采用

22、其專有的氫化苯乙烯類彈性體和納米膜技術(shù)，可在發(fā)電時(shí)限制甲醇透過(guò)量?jī)H為傳統(tǒng)氟基電解膜的40，從而將最大輸出功率提高了1.6倍以上。由于這種DMFC能量密度高而且裝置緊湊，故它將是便攜式終端裝置用的下一代電力來(lái)源。我國(guó)山東理工大學(xué)山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心2003年初研發(fā)成功具有原始創(chuàng)新性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接甲醇燃料電池。該研究中心提出模擬生物酶燃料電池催化劑的思路，采用廉價(jià)、性能高的模擬生物酶代替當(dāng)今燃料電池中使用的價(jià)格高、資源受限的鉑催化劑研制成這種新型燃料電池，并在實(shí)驗(yàn)室發(fā)電成功。其工作原理是直接將甲醇和水的混合物送至DMFC陽(yáng)極，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)生成CO2，并釋放出電子和質(zhì)子，電子從

23、陽(yáng)極經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至陰極形成直流電。其工作溫度范圍可從室溫到135。目前世界甲醇市場(chǎng)供過(guò)于求，但甲醇可望成為未來(lái)環(huán)境友好的燃料電池燃料。據(jù)預(yù)測(cè)，燃料電池將為2010年甲醇需求增加70萬(wàn)噸、2015年增加850萬(wàn)噸、2020年增加6000萬(wàn)噸。從長(zhǎng)期看，燃料電池工業(yè)將為甲醇工業(yè)提供巨大的發(fā)展?jié)摿Α?. 乙醇燃料電池美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)了具有商業(yè)化潛力的反應(yīng)器，該反應(yīng)器可從乙醇制取燃料電池用氫。如果被確證，這可望首次從可再生資源生產(chǎn)氫氣，而不是從烴類或甲醇生產(chǎn)氫氣。該工藝過(guò)程對(duì)于主要為液體燃料貯存的小型便攜式燃料電池，可低費(fèi)用地產(chǎn)生氫氣。 乙醇和水在一個(gè)汽車(chē)燃料用噴射器中混合后，藉銠-二氧化鈰氧化生

24、成氫氣和二氧化碳，該反應(yīng)是有吸引力的，因?yàn)闅錃饪蓮囊掖己退@取，潛在產(chǎn)率可望提高。該過(guò)程在現(xiàn)有乙醇價(jià)格下具有競(jìng)爭(zhēng)性，并且可望使用未經(jīng)脫水就可用作燃料的較廉價(jià)的乙醇。 可再生資源制氫的其他方案吸引力則小得多，從葡萄糖制取氫氣業(yè)已經(jīng)驗(yàn)證，但產(chǎn)氫的選擇性僅50%，又需較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。生物柴油（菜子油衍生的脂肪酸甲酯）也可望應(yīng)用，但高的油價(jià)限制了其經(jīng)濟(jì)性。在今后幾年內(nèi)，乙醇生產(chǎn)費(fèi)用可望下降，因?yàn)檎谥铝τ谥苯訌牡蛢r(jià)值生物質(zhì)而不是從谷物糖來(lái)生產(chǎn)。如果乙醇被用來(lái)生產(chǎn)氫氣而不是作為燃料被燃燒，則整個(gè)過(guò)程效率可提高3倍。研究人員可望利用貯藏在谷物糖中的50%能量，而乙醇在汽車(chē)中燃燒，僅能利用其能量的20%。研

25、究人員正在改進(jìn)技術(shù)以提高產(chǎn)氫率。乙醇制氫燃料電池的初期應(yīng)用市場(chǎng)可望包括偏遠(yuǎn)地區(qū)用以替代電力。5. 汽油燃料電池通用汽車(chē)公司和豐田汽車(chē)公司均致力于汽油燃料電池的開(kāi)發(fā)。該技術(shù)從清潔碳?xì)浠衔锶剂系钠椭兄迫錃?，采用這種制氫方式的燃料電池優(yōu)點(diǎn)是采用含硫少的清潔燃料，可延長(zhǎng)燃料電池自身壽命，并且容易維修。由于使用汽油，現(xiàn)有的汽油加油站也能得到充分利用。同時(shí)其能量利用效率較高，內(nèi)燃機(jī)效率為15%，汽油燃料電池可高達(dá)22%32%；排放CO2也較少，內(nèi)燃機(jī)排放CO2為220g/km，而汽油燃料電池為110140g/km。通用汽車(chē)公司和埃克森美孚公司開(kāi)發(fā)了汽油為燃料的燃料電池高效轉(zhuǎn)化器，可產(chǎn)生高質(zhì)量的氫氣用

26、以驅(qū)動(dòng)燃料電池。現(xiàn)己完成汽油轉(zhuǎn)化器集成系統(tǒng)的驗(yàn)證，該燃料電池組可產(chǎn)生25kw動(dòng)力。雪佛龍德士古公司也和通用汽車(chē)公司多年來(lái)合作研究開(kāi)發(fā)汽油型燃料電池汽車(chē)。2001年8月，通用汽車(chē)公司首次推出第一臺(tái)汽油燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)：Gen ，該系統(tǒng)已裝配在Chevrolet S-10貨運(yùn)卡車(chē)上。燃料電池所用能源的重要一環(huán)是供應(yīng)超清潔燃料。使柴油和汽油中的硫減少或去除是清潔燃料研究中最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，也是美國(guó)實(shí)施“21世紀(jì)夢(mèng)想”能源計(jì)劃重要的組成部分。美國(guó)能源新法規(guī)要求汽油含硫從350g/g減小到30g/g，柴油含硫從500g/g減小到15g/g，2006年實(shí)施。法規(guī)還要求減少燃料中芳烴含量。降低燃料尤其是車(chē)用

27、柴油和汽油中的硫含硫是很棘手的問(wèn)題。 大多數(shù)煉油廠都建有催化裂化（FCC）裝置，將重質(zhì)餾分轉(zhuǎn)化為石腦油和輕循環(huán)油（LCO），分別用以生產(chǎn)汽油和柴油。它們作為主要的燃料調(diào)合料含有大量硫。各種脫硫工藝可用于FCC之前、FCC之中或FCC之后去除硫。這些工藝過(guò)程需要催化劑和氫氣，在高溫和高壓下反應(yīng)，噻吩環(huán)被加氫，然后使硫成為H2S被汽提掉。典型的催化劑為含少量促進(jìn)劑金屬如鈷或鎳的二硫化鉬。要滿足新的燃料規(guī)范存在許多復(fù)雜因素，既要去除硫又要保持汽油必要的高辛烷值是很辣手的課題。另一問(wèn)題是隨著成品汽油和柴油中允許含硫量的降低，而可用原油平均含硫量卻在增高，燃料電池要求使用更嚴(yán)格的清潔燃料，液體烴燃料含硫

28、應(yīng)小于1PPb，才能避免毒害燃料加氫催化劑和燃料電池電極催化劑。業(yè)已開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有技術(shù)雖可去除大量硫，但其余的噻吩化合物尤其是4,6-二甲基二苯并噻吩去除很困難。開(kāi)發(fā)新型催化劑或工藝過(guò)程才能有效地去除這些化合物，使硫去除以滿足未來(lái)燃料規(guī)范尤其是柴油規(guī)范的要求。正在開(kāi)發(fā)的清潔燃料生產(chǎn)技術(shù)是稱為選擇性吸附脫硫（SARS）的工藝，該工藝使用基于過(guò)渡金屬的吸附劑，負(fù)載在多孔固體載體上，如MCM-41硅鋁酸鹽分子篩。它與使噻吩催化脫硫的方法不同，該工藝可在低溫和常壓下使硫選擇性地從金屬原子上脫除，而需要的不含硫的芳烴如烷基苯和萘則予以通過(guò)。SARS工藝不使用氫氣，為此烯烴和其他芳烴不被加氫。氫可用于其他用途

29、，如驅(qū)動(dòng)燃料電池。該吸附劑在被飽和之前，可凈化10倍于其體積的燃料，一旦吸附劑被飽和，硫化物可用極性溶劑洗滌使之除去，吸附劑可以回用。燃料電池用氫氣除了要低含CO外，也必須從低含硫的烴類物流制取，因?yàn)榱驎?huì)毒害現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)所用催化劑。雖然某些來(lái)源的烴類低含硫，如處理過(guò)的天然氣、甲醇、天然氣合成油（GTL）和二甲醚（DME），但日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院（AIST）的研究人員認(rèn)為，超低硫汽油（ULSG）也可望成為較好的氫源。根據(jù)這一理念，AIST的研究人員正在開(kāi)發(fā)新的加氫處理催化劑，以用于生產(chǎn)超低硫汽油（ULSG）。這種催化劑由鈀-鉑合金（Pd：Pt=4：1）的納米顆粒組成，負(fù)載于不穩(wěn)定的

30、Y型分子篩上，并用鐿（Yb-USY分子篩）使之穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，進(jìn)料采用含硫?yàn)?0g/g的汽油，含硫成份主要是噻吩，如苯并噻吩和其他硫化物，如硫醇、硫化物和二硫化物。使用固定床加氫處理，操作條件為280、液時(shí)空速（WHSV）為416。該催化劑的脫硫效率為98%，可使硫含量減少到0.12g/g。最后再用吸附步驟使其硫含量減少到約20PPb，則可使該燃料用作燃料電池的氫源。脫硫反應(yīng)已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了75個(gè)小時(shí)。因?yàn)榉紵N和烯烴在該反應(yīng)中已基本上被飽和，因此生成的超低硫汽油（ULSG）不含硫醇，硫醇通常由H2S和烯烴再組合才能生成。AIST研究人員正在為使該技術(shù)推向商業(yè)化繼續(xù)工作。大多數(shù)主要的石油公司都在開(kāi)發(fā)少投資的脫硫方法，以滿足新的燃料法規(guī)，這些方法包括新催化劑配方的開(kāi)發(fā)、指定反應(yīng)和工藝條件、設(shè)計(jì)新的反應(yīng)器或者開(kāi)發(fā)基于吸附、氧化、膜分離、生物技術(shù)或離子液體的全新的工藝，這些方法中的有一些可望應(yīng)用于煉油廠生產(chǎn)超清潔燃料，它們也將作為美國(guó)“21