燃料電池的新進展

張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所（河南洛陽 471023）

燃料電池的新進展

張文毓

中國船舶重工集團公司第七二五研究所（河南洛陽 471023）

主要敘述了國內外燃料電池的新進展,通過分析討論對國內外燃料電池新進展有較全面的了解。

燃料電池 研究 進展

0 前言

早在160年前人類發明普通電池時，燃料電池就已經存在。但是，以燃料電池為動力的燃料電池汽車，則是近幾年汽車工業的新發展。繼火力發電、原子能發電之后，燃料電池發電技術以其效率高、排放少、質量輕、無污染、燃料多樣化等優點，正進一步引起世界各國的關注。美國、日本、德國、加拿大等先進國家在燃料電池研究方面已走在前面。

1 燃料電池的主要類型

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池的主要類型見表1[1]。

表1 燃料電池的分類

2 燃料電池的新進展

2.1 美國

美國研究人員開發出一種不需要使用貴金屬鉑的新型氫燃料電池催化劑，可望解決燃料電池推廣過程中的一個主要障礙。

據2011年4月22日出版的美國新一期《科學》雜志報道，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室聯合開發的催化劑通過加熱聚苯胺、鐵、鈷鹽生成，幾乎與鉑催化劑一樣有效耐用。通常情況下，由非貴金屬制備的類似催化劑容易在高度酸性情況下降解，但這種新型催化劑卻能保持穩定。此外，這種催化劑可以使燃料電池高效完成將氫和氧轉化為水的過程，僅產生極少量的過氧化氫。

該論文作者彼得·澤列納伊表示，與鉑相比，新型催化劑的成本極低。研究人員已申請相關專利。氫燃料電池的工作原理實際上是個電化學過程，為使這個過程快速和高效，通常需要使用大量貴金屬鉑作為催化劑，然而鉑材料昂貴，而且是稀有資源，因此，氫燃料電池的大規模應用受到限制[2]。

美國航天局下屬噴氣推進實驗室最近宣布，該機構與南加州大學合作，研制出一種利用液態甲醇產生電能的電池，與其他燃料電池相比，這種“直接甲醇燃料電池”在發電時不需要添加任何燃料，也不排放任何污染物，其發電副產品為水和二氧化碳，如此生成的電能相對更清潔。此外，“直接甲醇燃料電池”還具有設計簡單和能量密度高等特點。該項技術將為進一步開發和推廣清潔能源開辟新途徑。

2011年8月16日，美國能源部（DOE）宣布支持的全球首個第三代燃料電池和氫能源站在加利福尼亞落成，該項目將為公共交通提供燃料，為工業設施提供電力。該燃料電池將熱能、氫和電力系統結合在一起，同時產生的氫可以提供電力和熱能，因此稱之為第三代系統。系統產生的氫將運送至氫燃料站，并對公眾服務，每天可以提供25～50輛燃料電池電動汽車燃料充灌。燃料電池同時還產生250 kW的能量提供給廢水處理工廠使用。這種生產方式大大推動了氫基礎設施技術的發展，進而加快了這種可再生能源的使用。DOE可再生能源辦公室主任助理認為，該示范項目將引導清潔能源經濟的發展。通過提供附加的電力和熱能，這種方式將推動氫燃料補給設施的發展[3]。

2.2 日本

為了減緩溫室效應、提高能源利用率，以削減列車運行能耗為目的，從2000年起東日本鐵路公司的研發中心一直致力于新能源（NE）列車的開發。公司自2003年起進行柴油機混合開發，確立了實用化目標；2006年開始實施NE列車的第二步計劃，即世界首創的燃料電池混合式鐵道列車的開發。

日本的東芝、富士電機、三菱電機、三菱重工、本田、松下電器以及三洋電機等大型企業都對燃料電池的開發傾注了大量的人力、物力。在汽車用燃料電池的開發方面競爭最為激烈，首先達到實用化水平。也有人認為燃料電池在家庭的普及方面同樣具有誘人的前景，如三洋電機的研究人員就持這樣的觀點。他們的根據是比起汽車使用的種種嚴酷條件來，家庭使用的問題要少得多。因而三洋電機將家庭用燃料電池作為開發方向。

三洋電機關于燃料電池的開發歷史已接近40年，近10年來側重固體高分子型（PEFC）產品的研制。2013年3月末三洋對其開發的產品進行了試驗。這是一種使用天然氣的家庭用燃料電池電源系統，其額定輸出功率為1 kW。構成該系統的各個裝置能自動控制，僅用一個按鈕即進行起動、停止的操作[4]。

新一代家用燃料電池效率高達87%。日本吉坤日礦日石能源公司最近展示了利用氫能和分散型電源的低碳型能源網絡系統(已在日本北九州氫能城鎮試驗運行)及由“能源使用之家”變成“能源創造之家”的ENEOS創能住宅。

創能住宅包括由太陽能發電和家用燃料電池ENE·FARM組合發電系統，以及太陽能熱水系統、高效燃油熱水器、高效燃氣熱水器、蓄電池、家庭能源管理系統（HEMS）、電熱地暖等。

據吉坤日礦日石能源公司的人員介紹，新開發的SOFC型ENE·FARM，液化氣（或天然氣）與水在電池內的重整反應器中生成氫，然后與空氣中的氧氣在燃料電池堆內進行化學反應，產生直流電，通過功率調節器（逆變器），提供家用交流電；另外，回收發電時產生的熱能，通過熱交換器，為90 L的家用貯水槽提供非飲用生活熱水。該系統還可抑制二氧化碳的排放量。與以往燃燒化石燃料的能源系統相比，SOFC型ENE·FARM的能源效率最高可達87%，其中發電部分45%、供應熱水部分42%，額定輸出功率為700W[5]。

2.3 韓國

據韓國原子力研究院（KAERI）和韓國能源技術研究院（KIER）2013年5月25日聯合報道，經雙方共同研究，成功開發出可提高燃料電池能效的新材料。此次研制成果有兩種：一種為可使固體氧化物燃料電池在低溫狀態下運作的“碳素薄膜銀納米粉末催化劑”；另一種為不僅可大幅縮小甲醇燃料電池（DMFC）體積，而且還能提高能效的“放射線照射高分子燃料電子膜”。

據介紹，碳素薄膜銀納米粉末可取代用稀有貴金屬制成的催化劑，使SOFC能在650℃的高溫下達到最大功效；放射線照射高分子燃料電子具有過濾甲醇并只允許氫離子透過的特性，可制作小體積高能效DMFC電池[6]。

韓國在大型固定式電方面的應用以及在交通運輸、移動電話領域的應用都取得了很大的進展，并且致力于PEMFC和SOFC的研究，還制訂了韓國燃料電池研發路線圖。

3 燃料電池開發應用成果

3.1 汽車用燃料電池的開發成果

代表燃料電池汽車開發的最新成果有：戴姆勒克萊斯勒公司的NECAR5和Commander2燃料電池汽車、通用汽車公司的氫動一號、福特汽車公司的焦點（Focus）燃料電池汽車、大眾汽車的Bora HyMotion燃料電池汽車。本田、日產、豐田不甘落后，日本豐田汽車公司在RAVA4車型上改裝了分別用甲醇和氫為燃料的燃料電池SUV車，均使用其自行制造的PEM動力系統；日產公司與本田公司共同開發了4座燃料電池車FCXV3；日產公司開發了燃料電池汽車XTERRA SUV。大宇、現代奮起直追。由此可見，世界發達國家正積極發展燃料電池汽車技術，并已經取得驚人的成果。潔凈燃料汽車的開發將為解決世界能源危機和環保問題提供有效的途徑，燃料電池汽車將是未來汽車的發展趨勢。

目前燃料電池技術在燃料能源輸送、存儲、價格等方面還存在巨大障礙，燃料電池汽車要真正從實驗過渡到大規模普及使用，還面臨一些技術難題和市場的挑戰，理想的燃料電池開發還需要一個相當漫長的過程。但從最新展出的燃料電池概念車中可以發現其研究已經實現了質的飛躍，我們有理由相信，在不遠的將來，駕駛燃料電池汽車上路行駛將不再是一個倍受關注的新聞[7]。

3.2 微生物燃料電池

英國的科學家研究出了一種微生物燃料電池以及具有自我供給功能的機器人，使得微生物成為未來一種可持續能源。

這種樣子笨拙的機器人可以將任何有機物質分解轉換成電能供自己使用，人們可以派它去條件惡劣的災區執行搜尋幸存者的任務，由于機器人會自動利用環境中的一切有機物為自己供能，所以不必像使用普通電池那樣擔心它能量耗盡。

另外，科學家還研制出一種微生物燃料電池，可以將飛蟲或者老鼠等生物的尸體分解轉換成電能供電，但利用自然生物材料是否合適仍然存在爭議。微生物燃料電池應用廣泛，如果將它放入污水池中，在清理水質的同時還能發電，可謂一舉兩得。

微生物燃料電池是一種以微生物為陽極催化劑，將化學能直接轉化成電能的生物裝置。微生物燃料電池的發展方向：（1）生物修復。利用環境中微生物氧化有機物產生電能，既可以去除有機廢物，又可以獲得能量；（2）廢水處理。微生物燃料電池不僅可以凈化水質還可以發電，它的出現有望使污水處理產業擁有廣闊的發展前景；（3）生物傳感器。如乳酸傳感器和BOD（生物化學需氧量）傳感器。

然而，雖然伴隨著人類的發展，生物能量的內涵在不斷革新，且將發揮重大作用，但它的利用和研究卻仍處于起步階段。依托生物電化學和生物傳感器的研究進展以及對修飾電極、納米科學研究的層層深入，微生物燃料電池的研究未來必將得到更快的發展[8]。

3.3 陶瓷膜燃料電池（CMFC）

陶瓷膜燃料電池是固體氧化物燃料電池的最新發展階段，能量轉化效率高、對燃料的適應性好、操作方便、對環境幾乎無污染，是化石和生物質燃料轉化為電能的最佳技術，將成為分散和固定電源、車船動力，最終取代目前的火力發電，并成為未來氫能社會的最佳能源技術之一[9]。

3.4 直接碳燃料電池（DCFC）

直接碳燃料電池是一種按電化學方式直接將化學能轉化成電能，而不經過煤炭燃燒的發電裝置。作為一種燃料電池，具有高效、無污染等優點。

19世紀末，William Jacques首先以焦炭作電極、熔融氫氧化鈉作電解質，嘗試了DCFC技術，并在當時引起了公眾的極大關注。但是在電池的運行過程中，由于無法解決碳對電解質的污染等問題，其放電效果并不令人滿意，致使人們對這一研究的關注逐漸減弱。直到上世紀90年代初，隨著電源技術的發展及人類環保意識的增強，DCFC逐漸又成為燃料電池領域的研究熱點。

作為一種有巨大潛在應用前景的新型化學電源，DCFC的研究正受到越來越多的關注。但是，DCFC目前尚處在理論研究與實驗室模型初試階段，距離它的商業應用還有很長的路要走。今后，尋求適用于DCFC的碳形態、研發新型催化劑和電解質材料、優化電池結構設計、完善DCFC過程理論等將是DCFC技術發展的關鍵[10]。

3.5 直接甲醇燃料電池

據報道，中科院長春應化所承擔的國家“863”計劃課題——直接甲醇燃料電池技術開發已在2011年通過了科技部驗收，為直接甲醇燃料電池實用化和產業化奠定了重要基礎。

該新成果在多方面取得了突破：采用空氣替代純氧氣作氧化劑；實現純甲醇進料，大幅度提高系統比能量；電堆體積比功率增大5倍；尾氣得到有效處理，甲醇含量僅為3.55×10-4mol/L。電堆最大功率達到375W，運行2050 h后，性能衰減l3.27%，能量轉化效率高達43.85%。80℃工作時，單電池最大功率密度達到了205MW/cm2。

直接甲醇燃料電池是一種將化學能連續不斷地轉化為電能的可再生清潔能源，具有能量轉化效率高、運行安全方便、發電時間持久等優點，特別適合作為筆記本電腦、電動自行車等便攜式中小型化電源或充電電源使用，自20世紀60年代初問世以來，已迅速發展成為國際高新技術競爭中的重要熱點之一[11]。

4 結束語

雖然燃料電池由于目前使用成本仍偏高，利用率較低，但是未來隨著傳統化石燃料短缺、消費者環保需求提升及燃料電池技術不斷進步等因素的刺激，燃料電池將在潔凈電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應用前景，特別是小型便攜式產品用直接甲醇燃料電池和車用質子交換膜燃料電池將大有作為。汽車用燃料電池的開發競爭最為激烈，將首先達到實用化水平。潔凈燃料汽車的開發將為解決世界能源危機和環保問題提供有效的途徑，燃料電池汽車將是未來汽車的發展趨勢。參考文獻：

[1] 肖國林,陳虹,段宗武.燃料電池技術在潛艇和海洋工程中的應用前景探討[J].艦船科學技術,2009,31(12): 102-106.

[2] 美研制出新型氫燃料電池催化劑[J] .現代材料動態, 2011(9):23.

[3] 全球首個第三代燃料電池和氫能源站在美國啟用[Z] .英大網,2011-11-18.

[4] 郭志紅.家用燃料電池的開發[J] .國外科技動態,2000, 375(10):5-7.

[5] 新一代家用燃料電池效率高達87%[J] .功能材料信息, 2011,8(3):62.

[6] 韓國成功研發高性能燃料電池用新材料[Z] .www.most. gov.cn,2011-06-08.

[7] 林子揚.國外燃料電池開發及成果[J] .汽車研究與開發,2001(6):22-25.

[8] 趙群,張翔,李輝.基于燃料電池技術的新能源發展論述[J] .機械,2007,34(7):1-6.

[9] 孟廣耀.陶瓷膜燃料電池研究進展與展望[J] .中國科學技術大學學報,2008,38(6):576-593.

[10] 胡雅琴.直接碳燃料電池研究進展[J] .山西大同大學學報,2011,27(3):37-40.

[11] 直接甲醇燃料電池研究取得成果[J] .功能材料,2011, 8(3):39.

New Progress of Fuel Cells

Zhang Wenyyu

Mainly describes the new progress of fuel cells at home and abroad,the purpose is to let readers have a more comprehensive understanding on the new progress of fuel cells through the analysis and discussion.

Fuel cell;Research;Progress

U 473.4

2014年2月

張文毓 女 1968年生 1990年西北工業大學畢業 高級工程師 主要從事情報研究工作曾發表論文50多篇