燃料電池——蓄勢待發(fā)的綠色電池

　　引言

　　燃料電池（FuelCell）最早可追溯到1839年英國WilliamGrove進(jìn)行的水逆電解反應時(shí)所發(fā)明的技術(shù)，至于其真正的實(shí)用化，則直到20世紀60年代才實(shí)際應用在航天及太空上。到20世紀80年代，在環(huán)保、節能等全球議題帶動(dòng)下，美國、日本、加拿大、韓國及西歐各國等數百家公司及研究機構積極投入，燃料電池開(kāi)始進(jìn)入民用市場(chǎng)，到20世紀90年代后期燃料電池技術(shù)新專(zhuān)利不斷產(chǎn)生。近年，在低碳經(jīng)濟的全球背景下，燃料電池研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程有加快趨勢。

　　1 定義

　　燃料電池是一種在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效率（37~70%）地轉換成化學(xué)能的電源產(chǎn)品；由于所使用的主要是氫氣、醇類(lèi)等燃料，且轉動(dòng)的組件極少，具有對環(huán)境負荷?。ǖ臀廴荆?、低噪音的特點(diǎn)，故其不僅適合用于中央電廠(chǎng)和區域分散電廠(chǎng)發(fā)電，亦可作為交通運輸工具（例如電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)機車(chē)及電動(dòng)自行車(chē)等）的動(dòng)力電源，近年來(lái)，在國際領(lǐng)先企業(yè)的積極投入研發(fā)推動(dòng)下，具有成為便攜式電子產(chǎn)品下一代動(dòng)力電池的潛力。

　　2 工作原理

　　燃料電池實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)裝置，組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個(gè)電極以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內部，限制了電池容量，而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉換元件，因此，燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉化為電能的能量轉換機器。

　　電池工作時(shí)，負極供給燃料（氫），正極供給氧化劑（空氣）。具體來(lái)說(shuō)，它是利用一種叫質(zhì)子交換膜的技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在陽(yáng)極催化分解成為質(zhì)子（氫離子）和電子，氫離子進(jìn)入電解液中到達正極，電子不能通過(guò)質(zhì)子交換膜達到正極，而是沿外部電路移向正極，用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水并釋放熱量。

　　燃料電池在產(chǎn)生電能過(guò)程中并不會(huì )產(chǎn)生明火，也不需要旋轉式發(fā)動(dòng)機等運動(dòng)部件，因此，燃料電池構造簡(jiǎn)單，能量利用率高，噪音小而且穩定。理論上，應用于汽車(chē)的燃料電池可以把氫燃料能量的60~70%轉化為動(dòng)能，而內燃機只能達到20~25%。

圖1燃料電池工作原理示意圖

　　3 分類(lèi)

　　燃料電池按照不同的標準可以劃分為不同的類(lèi)別：如按照電池的運行機理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；按照電解質(zhì)的種類(lèi)可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；按照燃料類(lèi)型可劃分氫氣、甲醇、甲烷、乙烷等燃料電池；按照工作溫度可劃分為低溫型、中溫型和高溫型燃料電池；按照結構類(lèi)型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

表1燃料電池按不同的方法分類(lèi)

　　4 劃分標準類(lèi)別

　　按運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

　　按電解質(zhì)種類(lèi)分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

　　按燃料類(lèi)型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等燃料電池

　　按工作溫度分為低溫型（溫度低于200℃）、中溫型（溫度為200~750℃）、高溫型（溫度高于750℃）燃料電池

　　按結構類(lèi)型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

　　不同種類(lèi)燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池，如受車(chē)用動(dòng)力青睞的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），這類(lèi)燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物，不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質(zhì)量較輕。但催化劑鉑（Pt）會(huì )與工作介質(zhì)中的一氧化碳（CO）發(fā)生作用后產(chǎn)生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑（Pt）的價(jià)格很高，增加了燃料電池的成本。

　　在高溫（600~1000℃）下工作的燃料電池，如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），這類(lèi)的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來(lái)利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠(chǎng)中。

　　5 主要特性

　　傳統能源利用方式主要有兩大弊?。阂皇莾Υ嬗谌剂现械幕瘜W(xué)能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能，受卡諾循環(huán)及現代材料的限制，在機端所獲得的效率一半以上被浪費；二是傳統的能源利用方式給今天人類(lèi)的生活環(huán)境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

　　多年來(lái)人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式，而燃料電池就是比較理想的發(fā)電技術(shù)。燃料電池十分復雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統及自動(dòng)控制等眾多學(xué)科相關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。

表2燃料電池主要特性

　　6 燃料電池發(fā)展瓶頸

　　燃料電池與其他動(dòng)力相比雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也面臨成本過(guò)大、造價(jià)偏高的問(wèn)題。例如車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%，質(zhì)子交換膜約占35%，這兩者的造價(jià)都很昂貴。另外，燃料電池的啟動(dòng)速度與內燃機引擎還有差距，燃料電池的反應性和穩定性二者存在不可兼得的矛盾。同時(shí)燃料電池的碳氫燃料目前還無(wú)法直接利用，除甲烷外均須經(jīng)轉化器處理產(chǎn)生純氫才可以應用。此外，儲氫技術(shù)的制約和加氫充氣站基礎建設的不足也極大地制約了燃料電池的推廣。

　　總而言之，燃料電池在以下幾個(gè)方面有待突破。

　　燃料電池使用成本：（1）燃料電池使用貴金屬鉑作為催化，且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性；（2）氫氣制取成本高，每公斤氫氣價(jià)格為汽油的數倍，儲運難度大，氫氣儲運成本高；（3）燃料電池的穩定性、壽命、復雜路況下的性能衰減，維護費用較高。

　　加氫網(wǎng)絡(luò )：氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體，且很難液化。氣體狀態(tài)下，能量密度低（680個(gè)大氣壓下的氫氣氣體，能量密度僅為一加侖汽油液體的14%）。氫能基礎設施落后，短時(shí)間內難以組成一個(gè)像加油站一樣的網(wǎng)絡(luò )。

　　7 結語(yǔ)

　　通過(guò)對比不同類(lèi)型電池性能和應用后，賽迪顧問(wèn)認為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域占據主導地位，但由于污染性和續航能力等問(wèn)題，傳統的鉛酸、鎳氫電池將逐漸被淘汰。隨著(zhù)鋰電池技術(shù)的不斷成熟，制造成本和安全性能的逐漸提高，鋰離子電池在未來(lái)五到十年內將是動(dòng)力電池發(fā)展的主流方向。

　　但是，鋰離子電池存在下游原料供應短缺、電池安全穩定性差等方面問(wèn)題。而燃料電池是一種純正的綠色清潔能源，可減輕溫室效應使全球氣候變暖，符合當前低碳經(jīng)濟的需要，同時(shí)氫氣等燃料供給來(lái)源途徑廣闊，燃料電池具有很大的發(fā)展潛力。如果燃料電池在技術(shù)上有突破的話(huà)，燃料電池將有很大的發(fā)展空間。

表3燃料電池與其他動(dòng)力電池比較

　　預計到本世紀20年