燃料电池技术研究进程及未来展望

（曲靖医学高等专科学校, 云南  曲靖  655000）

摘 要: 燃料电池作为新能源的一种，具有能量转化效率高、有害气体及噪音排放都很低、适用范围广、积木化强、运行质量高等诸多优点，本文介绍了燃料电池的特点、分类、基本原理、研究进程及未来展望。

关键词: 燃料电池，研究进程，未来展望

引 言

燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。随着科学技术的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。。燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

1 燃料电池的特点：

燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：

(1) 能量转化效率高：它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

(2) 有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低，ＣＯ2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。

(3 )燃料适用范围广

(4) 积木化强：规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。

(5) 负荷响应快，运行质量高：燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

2 燃料电池的分类：

目前，燃料电池按电解质划分已有4个种类得到了发展，即磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）、固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）、固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K(100℃)的为常温燃料电池，如SPFC；工作温度在373K(100℃)～573K(300℃)之间的为中温燃料电池，如PAFC；工作温度在873K(600℃)以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC。
    燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料氢（或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。下面简单介绍以上几种燃料电池的基本原理：

（1）磷酸型燃料电池（PAFC）：

  这种燃料电池所需燃料氢由煤气、天燃气或甲醇重整制取，由多孔质石墨构成电极，工作温度在200℃左右，磷酸为电解质，常用铂作催化剂。

（2）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）：

这种燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。

该燃料电池是一种高温电池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。

（3）固体氧化物燃料电池（SOFC）：

这种燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。

（4）质子交换膜燃料电池（PEMFC）：

这种燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。

3 燃料电池发展研究状况

3.1 国外研究状况 

 在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池(PAFC)由于磷酸易得，反应温和，成为发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。1977年美国通用公司首先建成兆瓦级PAFC发电站。1991年日本电力公司在东京湾兴建的1MW PAFC发电站也已投入运行。目前美国已有少量销售，其商品化阶段已经开始。
　　熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)正处于10-20KW向兆瓦级发展阶段。1994年12月美国已建成迄今最大功率为250KW的MCFC电站。日本1989年已完成25KW的MCFC试验，按其“新阳光计划”-1MW的MCFC中间试验电厂现正在实施中。
　　聚合物电介质燃料电池(PEMFC)不仅是人造卫星上可靠、低成本的动力源，还可作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。1996年美国能源合作公司推出实验型的由三块薄膜组成的以1.5KW PEMFC为动力的“绿色轿车”。德国奔驰公司在前两年开发出NECARⅡ存储式燃料电池驱动电车(燃料电池生产电能为250KW，一次行程为250公里)，并在慕尼黑、斯图加特市作为试行公共电车之后，在1998年8月又作为世界首创，开发出NECARⅢ燃料电池驱动电车。它用质子交换膜(PEM)燃料电池为动力，以甲醇为原料，通过车辆后部的反应器产生氢气，再以氢和空气中氧反应产生电能来驱动，当压下踏脚板后，在不到2秒的时间内动力系统的能量将达到90%，其最大行程为400公里，预期近几年投放市场。最近，Daimler Chrysler设计的燃料电池和电池混合引擎轿车NECAR 4由于具有零污染、宽阔的操作范围和良好的驾驶特性等最佳的设计而获得北美“1999国际引擎年奖”。新近美国Ballard Power System开发的第二代燃料电池公共客车已在芝加哥运行。美国至今已开发的具有代表性的运输用的燃料电池公共客车、轿车已达30多种。
　　第三代燃料电池SOFC正在积极研制开发中，1991年6月美国能源部和威斯汀豪斯公司投资1.4亿美元加速固体燃料电池的商业化。目前美国西屋公司处于SOFC领先地位，它们所制造的一个由576个管式SOFC组成的25KW发电系统已创13 000多小时运行的世纪记录。其下一步计划是建立100KW的SOFC热电联产系统交付荷兰/丹麦电力公司使用。目前美国已有5KW的SOFC产品出售。一些公司还打算把SOFC和储氢合金结合起来，用于开发汽车用燃料电池。

3.2 国内研究状况 

我国燃料电池的研究始于1958年，不过很快就停止了。70年代初，在航天计划的带动下，FC的研究掀起高潮，后因航天计划的改变，FC的研究也就基本中止。90年代，由于环境保护、能源短缺的双重压力，我国第二次FC研制高潮逐渐形成。目前，燃料电池的研究领域主要集中在PEMFC、SOFC和MCFC，其中尤以PEMFC的研究投入最多，研究单位也最多，据不完全统计，有中科院大连化物所、长春应化所、上海有机所、清华大学、北京石油大学、北京理工大学、天津大学、上海交大、复旦大学、厦门大学等。储氢技术是影响燃料电池应用的关键，我国很早就开展储氢技术的研究与开发，目前已具有较高的水平，而且已经走向国际科技舞台。但是，由于我国燃料电池研制停顿多年，加之研究经费较少，因而和国外相比，还有很大差距，需要企业家、科学家和工程技术人员的共同继续努力。

4 展望燃料电池的未来

燃料电池可在一秒钟之内迅速提供满负荷动力，并可承受短时过负荷（几秒钟）。其特性很适合作为备用电源或安全保证电源。为实现这些动态特性，在供电侧必须有独立的氢气来源。除了将PEMFC用于空间飞行，移动式和固定式设备外，开发小型化的PEMFC系统的工作也正在开展，作为便携式电源系统用于笔记本电脑和摄象机等装置。

许多美国厂家都有采用PEMFC（＜10 kW）的国内示范项目。更广泛的应用只有当电池组成本大大下降之后才有可能。因为在这一应用中， PEM技术直接与常规的锅炉在产生热量方面进行竞争。在不同领域进行的大量研究对PEMFC的发展很有利，而且对其具有正面的、长期的影响，并可进一步加快PEMFC投入商业应用的进程。开发可用于车辆的移动式PEMFC是发展这项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使用PEMFC而带来预期的成本下降，将使固定式发电受益非浅，反之亦然。这些专门的应用领域意味着PEMFC技术是今后几年中可获得突破的几项未来技术中的一项，而且不需要耗费大量的政府投资。

参考文献：

[1] 陆天虹,孙公权. 我国燃料电池发展概况[J]. 电源技术 .1998(4)

[2] 路甬祥. 燃料电池的研究开发现状及其发展趋势[J]. 自然杂志.1997(3)

[3] 毕道治.中国燃料电池的发展[J].电源技术 2000(2)

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第4期  在线投稿  >>