意大利燃料电池技术的开发应用

卢世应

概况

　　燃料电池由于在能源转换方面具有高效率、对环境影响很小的特点，所以无论从意大利能源结构看还是从环保的角度看，开发燃料电池技术都是一种比较理想的选择。据意大利专家分析，到2010年，意大利燃料电池市场预计在4000-15000兆瓦之间，主要应用领域为电力公司1-50兆瓦的电站、居民和工业用20-200千瓦的小规模的“热电联产”系统和交通车辆。
　　意大利于1979年开始研究和开发燃料电池技术及其应用系统，对磷酸型燃料电池的工业应用、交通车辆用固体聚合物电池、电站用高温碳酸盐型电池技术做过很多开发工作。这些研究开发工作得到了意大利工商手工业部和欧盟科研项目的大力支持。从研究机构看，意大利新技术能源环境委员会(ENEA)是研究开发燃料电池技术的首要研究机构，它是意大利工商手工业部的下属单位，一方面从事研究开发，另一方面也协调燃料电池方面的研究项目；其次是国家研究委员会(CNR)所属的位于西西里岛上的能源储存和转化的化学方法与工艺研究所(ITA)，再就是一些大学。从工业界看，主要研究开发单位有AnsaldoRicerche研究中心、DeNora公司、CLC公司等。意大利的燃料电池研究开发项目一般采用研究机构与企业联合的方式，企业侧重工程和工艺方面的开发，研究机构侧重理论和新方法、新材料方面的研究。

燃料电池技术的开发

　　在各种燃料电池技术中，磷酸型燃料电池(PAFC)被视为唯一从研究开发阶段进入示范阶段的技术。目前ONSI公司在PAFC技术方面处于世界领先水平，该公司开发的以天然气为燃料的200千瓦PC25型热电厂运行效果良好。
　　CLC公司是欧洲PAFC系统和热电厂的主要开发生产商。CLC公司获得了在欧洲生产和销售200千瓦PC25型热电厂的独占性技术许可，它利用ONSI的技术，根据欧洲技术标准和要求，开发和生产适合于欧洲的现场联合发电系统。其200千瓦PC25热电厂的主要特点：以天然气为燃料，也可用丙烷气或氢为燃料；发电效率为40％；热利用方面，可获得37-81℃的热水；废气排放小于1ppm。该公司设计和提供了世界上第一个以氢为燃料的磷酸型燃料电池电厂，目前正在研究这类燃料电池在生物质能和垃圾汽化工艺中的应用。1998年7月，该公司提供的以氢或天然气为燃料的电厂及其部件或设备，已经得到ISO9001质量认证。　
　　CLC公司为用户建设以天然气或氢气为燃料的200千瓦的PAFC电厂，提供电厂设备及技术服务。目前欧洲建立的PC25型热电厂已达21个，累计运行时间34.9万小时，发电5.4万兆瓦小时，有2个电厂的累计运行时间超过3700小时，单个热电厂的最长连续运行时间达5721小时。但是目前PC25热电厂的建设成本还比较高，根据CLC公司的专家估计，要建设一个200千瓦PC25型热电厂，燃料电池成本约30万美元，其他设备和系统约70万美元。CLC公司的近期目标是将生产成本从目前的每千瓦约3000-4000美元降低到每千瓦2000美元。
　　1995年，意大利米兰市能源公司、Ansaldo公司、ENEA联合设计和建设的以甲烷为燃料的1.3兆瓦的磷酸型燃料电池热电厂在米兰市
Bicocca技术园区竣工发电。这是欧洲建成的第一座1.3兆瓦PAFC电厂。热电站由燃料处理系统、空气处理系统、燃料电池系统、电化学模块冷却系统、热弥散系统和功率调节系统组成。电站技术指标为：直流电功率1340千瓦，交流电总功率1280千瓦，电压23千伏，谐波畸变小于3％。燃料电池的技术指标为：电压0.73伏，电流200毫安/平方厘米，电极面积0.95平方米，工作压力8.3巴。该电站运行状况良好，符合意大利的环境和安全标准。
　　在小规模现场发电方面，意大利博洛尼亚市建立了一个200千瓦的PAFC发电系统，以评价和检测小容量的现场发电系统的技术性能和寿命，并获取发电系统运行和维修方面的经验。　
　　固体聚合物燃料电池(SPFC，或称质子交换膜燃料电池PEMPC)具有高转化效率、“零排放”和快速启动的特点，其工作温度为70-100℃，特别适合作燃料电池汽车或混合汽车用电池。在意大利，ENEA、国家研究委员会、米兰大学、布雷西亚大学、DeNora公司、Ansaldo公司在SPFC方面做过大量开发工作。

电池的研究和开发工作

　　意大利从80年代末开始研究SPFC技术。最早由ENEA和DeNora公司合作研究。DeNora公司是1923年建立的电化学工程公司，在中国、法国、美国、日本、巴西、新加坡、印度建有合资企业。1989-1990年，主要进行基础研究、技术评估以及电池初步设计。1990-1993年，开发能适应批量生产要求、功率为5千瓦的电池，1993年开发成功，被称为第一
代电池。该电池由100个“单片电池”组成，每个单片电池的有效面积为225平方厘米，适合批量生产要求，但是该电池的功率密度仅为0.04千瓦/公斤，还达不到车辆应用要求。1993-1996年，开发适合于批量生产要求的功率为10千瓦的第二代电池，该电池由43个“单片电池”组成，每个“单片电池”的有效面积为900平方厘米，电池功率密度达到0.1千瓦/公斤。1997年以来，该公司开发了第三代电池，一种是交通车辆用的电池，目前电池功率密度已接近0.5千瓦/公斤，另一种是电厂用电池，功率为60千瓦，预计1999年可以供货。　
　　DeNora公司研制的质子交换膜燃料电池技术特点是采用先进气体扩散电极和轻金属双极板。传统的质子交换膜电池一般采用石墨或石墨基材料作为双极板，但从工程和规模生产的角度看，这种材料脆性大，生产成本高，因此DeNora公司采用了金属材料作为双极板(专利技术)，紧贴聚合物薄膜两侧的电极，起传导电流和散热的作用。
　　为了改进电池的性能，降低成本，ENEA、能源储存和转化的化学方法与工艺研究所、DeNora公司正在进行联合研究开发。在工程方面，研究目标集中于三个方面：提高电池的能量密度；提高系统的总体效率和可靠性；降低制造成本。在第三代电池的材料和组元解度方面的性能有很大提高；研究电池结构材料及其防腐性能、活性组份特征、电解质分布规律、多孔材料形态变化、以及电池湿封材料的防腐性能等。
　　意大利为加速燃料电池的技术研究和开发，推动科技界和工业界合作，1998年组建了一个名为CORIVAMIA的科研联合体，从事电动汽车、燃料电池汽车和甲醇车的研究开发工作。其成员包括菲亚特集团、ENEA、国家研究委员会、意大利电力公司、SNAM公司等。他们希望通过合作研究，降低燃料电池生产成本，从目前的每千瓦3000-5000美元，降到每千瓦250-300美元(2005年)和50-100美元(2010年)。