燃料電池技術現狀及其應用前景

馬天才，顧榮鑫

（弗爾賽能源有限公司，江蘇 昆山215300）

1 概 述

能源是人類賴以生存的物質基礎，人類社會的發展離不開自然界各種能源的開發和利用。能源的開發和利用已經成為衡量社會物質文明的重要標志之一。自然界蘊藏著各種不同形式的能源，人類迄今已經不同程度地開發和利用了自然界的風能、水能、太陽能、燃料的化學能和原子核能等。盡管能源種類眾多，但由于使用的穩定性以及傳輸和存儲等原因，現階段人類所使用的能源大多是利用熱機過程將其它能源轉化得到的電能或機械能。人類在使用熱機開發、利用能源過程中，不僅污染了賴以生存的環境，加劇了全球性的氣候變暖形勢的惡化，而且增加了對化石燃料的依賴性，加速了化石能源的消耗，造成了潛在的能源危機。為此，各國相繼立法，鼓勵社會加速對太陽能、風能、氫能、生物能等低碳可再生能源的開發和利用。

我國政府也是低碳新能源技術的積極倡導者和參與者，不僅在2004年制定了《能源中長期發展規劃綱要（2004－2020）》，并于2007年已經制定了《中國應對氣候變化國家方案》，明確提出：重點發展低碳能源和可再生能源，改善能源結構。發展新能源和節能環保產業，不僅被認為是：搶占未來產業發展制高點、提高國際競爭力的重大舉措；擴內需穩外需、培育新的經濟增長點的有效手段；轉變經濟發展方式、促進可持續發展的有效途徑，同樣也是兌現我國在哥本哈根會議對世界低碳承諾的必由之路。

氫是一種高效和清潔的燃料，不僅燃燒過程不會產生污染，而且通過燃料電池可以不經過燃燒直接、高效地將氫能轉換為電能。氫是自然界中存在最普遍的元素，其發電和制取過程是一個可循環的氧化還原反應過程，因此是資源最豐富的可再生能源。在眾多的新能源技術中，氫能無疑是未來最有希望的能源技術。20世紀70年代，科學家就提出了“氫經濟”的概念，確立了氫能作為解決全球能源和環境問題的方案地位，并成立了“國際氫能學會”（International Association of Hydrogen Energy，IAHE）。作為利用氫能最理想的方式－燃料電池技術也逐漸引起了人們的重視，已在電站、備用電源以及車用發動機等應用方面已經取得了長足的發展，并且正在逐步接近商業化的程度，相關的研發也得到了眾多國家政府的支持。

2 燃料電池的基本原理

燃料電池技術并不是一項全新的技術，其發展歷史可以追溯到19世紀30年代。1838年C.F.Schonbein發現了燃料電池工作原理；1839年 W.R.Grove發表了世界上第一篇有關燃料電池的報告，并制成最早的氫－氧燃料電池。此后的一段時間內，其他科學家在此基礎上進行了改進和嘗試，并且取得了一定的進展。如L.Mond和C.Langer制作的燃料電池從結構上已經接近現代的燃料電池，但限于當時的科技水平和人們對能源、環境方面的認識，以及熱機過程研究取得了成功，燃料電池技術并沒有得到重視。直到20世紀60年代初期，Pratt＆ Whitney公司研制的堿性燃料電池成功地應用在Apollo登月飛船上，以及70年代世界性能源危機的出現，人們對燃料電池技術的熱情才重新被點燃。

燃料電池是一種電化學反應裝置，直接將化學能轉化為電能。燃料電池的工作原理不同于熱機，沒有中間過程，不受內燃機的熱力學特性（如卡諾循環）限制，理論上可以獲得更高的效率。作為發動機使用時，直接使用氫氣的質子交換膜燃料電池所獲得的效率是傳統內燃機的兩倍。純氫燃料電池的反應產物只是水、熱和電能，對環境不會造成污染，所以與之相關的技術被認為是解決化石能源短缺和環境污染問題的關鍵技術之一。

燃料電池根據其使用的電解質類型可分為：質子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。各種燃料電池的主要特性如表1所示。

質子交換膜燃料電池工作溫度相對較低，因采用固體電解質而具備更好的穩定性，其生成的副產物為純水而不存在腐蝕問題，電流密度高，且響應速度快、使用壽命長。因此，質子交換膜燃料電池成為現階段燃料電池研究的重點，也是車載發動機和電源系統首選的應用對象。文中隨后提及的燃料電池若無特別指明，均指該類型燃料電池。

表1 不同類型燃料電池特性

圖1 質子交換膜燃料電池工作原理

燃料電池單體是由兩個電極夾著電解質的“三明治”結構，如圖1所示。質子交換膜的特性是可以通過質子，而電子不能通過。氫氣通過陽極板上的流道至陽極表面，然后經擴散層到達催化層，在催化劑的作用下，發生如下的電極反應：

陽極反應釋放的電子經外電路到達陰極，氫離子則穿過質子交換膜到達陰極。在催化劑的作用下，氧和氫離子在陰極反應生成水：

完整的燃料電池反應過程可以表示為：

通過上述反應，氫和氧被消耗，相應的化學能轉化為電能（Ee）。同時，反應生成熱能（Heat）和水，生成的水通過電極流場隨反應的尾氣排出。理論上，在100 kPa和25℃條件下，氫氣氧化生成液態水，焓變△H 為－285.8 kJ／mol，反應熱 T△S 為－48.7 kJ／mol，即1 mol氫氣參與反應，產生48.7 kJ的熱能和237.1 kJ的電能。根據熱力學理論，在上述條件下燃料電池的電能轉化理論效率為83%。

3 燃料電池能源系統

為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓需求，通常將燃料電池單體按照一定的方式組合在一起構成燃料電池堆，并配置相應的輔助設備，構成燃料電池系統，典型的結構如圖2所示。其中，電堆是燃料電池發動機的核心，輔助系統是維持電堆持續穩定地工作的必要條件。燃料電池發動機輔助系統包括氫氣供應系統、空氣供應系統、水熱平衡系統、控制系統。

圖2 燃料電池系統結構示意圖

目前，燃料電池發動機通常根據其工作壓力分為低壓系統（工作壓力小于0.5 barg）、中壓系統（工作壓力小于3.0barg）和高壓系統（工作壓力大于3.2 barg）。除此之外，還有根據系統工作溫度、加濕方式、散熱方式為依據來劃分的方法。

由于工作壓力的不同，燃料電池系統在輔助系統、管路構成、系統內部的水熱平衡以及動態特性等方面都存在諸多差異。其中，最明顯的差異是其空氣供應方式以及由此引起的輔助消耗。低壓系統一般采用風機來供應空氣，而某些自呼吸式低壓系統甚至取消了風機，直接依靠空氣的對流來供應氧氣；中高壓系統則需要依靠壓縮機來供應空氣，并且需要配置背壓閥或其它設備來控制系統工作壓力。相應的，低壓系統結構簡單，輔助消耗比較少，容易獲得較高的效率，但系統響應速度和水平衡問題比較突出，系統成本也比較高，功率密度較低；而中高壓系統則相反，系統復雜程度顯著提高，輔助消耗較大，甚至會超出系統輸出的20%，但系統響應速度快，水平衡問題在一定程度上得到緩解。

由于存在極化現象，燃料電池的輸出電壓會隨著輸出電流增加急劇下降，為了滿足特定場合的供電需求，通常燃料電池系統需要和電壓轉換裝置配合使用，構成燃料電池電源系統或燃料電池動力系統。此外，由于燃料電池系統的風機或壓縮機的慣性系數較大，且空氣穿過電極氣體擴散層的速度較慢，燃料電池系統的動態響應速度約為10 s。為了滿足負載毫秒級動態響應過程，通常需要在動態特性和系統效率之間進行折衷處理，或者配置蓄能單元以彌補其動態響應較慢的不足。燃料電池能源系統即為燃料電池系統、電壓轉換轉換系統以及蓄能單元構成的發電裝置。

燃料電池能源系統的典型應用主要是車用發動機、分布式電源以及熱電聯共能源系統，系統的輸出形式為直流電、交流以及熱能。其中，直流電能和交流電能的輸出分別依靠直流變換器DCDC、逆變器DCAC進行能量轉換，熱能的輸出直接由燃料電池的冷卻子系統通過熱交換器和外部供暖系統進行熱量傳遞。圖3為弗爾賽能源有限公司和上海郵電設計咨詢研究院有限公司、同濟大學聯合開發的5 kW級的通信用燃料電池備用電源系統結構示意圖。

圖3 燃料電池備用電源系統結構示意圖

在過去的10年內，在各國政府的大力支持下，在眾多的科研單位、汽車生產廠商、燃料電池生產商和集成商、能源供應商的共同努力下，燃料電池技術研究已經攻克了很多早期的應用障礙，不僅制造成本的急劇下降，而且可靠性和耐久性的大幅度提高。眾多的汽車制造商、燃料電池能源系統供應商最近都公布了研發計劃和目標，并且在時間和目標方面大致相同：2010年以前為技術積累階段，重點發展相關技術、降低系統成本；2010至2015年為市場化準備階段，重點為市場化為目標進行技術優化；2015年進入市場化階段。至2017年預計燃料電池能源系統的成本將和內燃機成本相當，約為30＄／kW，車載工況下耐久性達到5 000小時，電源工況下耐久性達到40 000小時。

4 氫能源技術

氫氣是燃料電池運行的基本燃料，燃料電池能源系統的應用離不開氫能源技術。由于氫氣密度小、性質活潑，特別是具有易燃、易爆、易擴散等特點，氫氣的生產、存儲和運輸是制約燃料電池能源系統廣泛應用的一個主要原因。氫能源技術主要包括氫氣的制取、存儲和運輸等三個方面。

由于氫元素廣泛存在于自然界中，氫氣的制取方式多種多樣。目前，常用的氫氣制備方法主要有電解水制氫、生物質制氫、化石燃料重整制氫、太陽能熱化學制氫、熱化學循環分解水制氫、超臨界水生物質氣化制氫以及副產氫回收等。電解水制氫是比較成熟的制氫方法，其氫氣產品可直接應用于燃料電池。制氫的電能既可以采用傳統的市電，也可以采用風力、太陽能等新能源設備產生的電源。因此，可以廣泛應用在各種場合，不僅適用于小規模分布式制氫，也適合集中式大規模制氫。和風能、太陽能聯合使用的電解水制氫技術，配合燃料電池技術實現真正的無碳化、可再生能源利用過程。其他可再生氫的制取技術，如生物制氫、光電化學技術、光催化技術和光化學技術，雖然具備很大發展前景，但由于還處于很早期的發展階段，其技術發展、經濟性等都還不明朗。基于經濟因素的考慮，目前的大規模制氫主要是通過化石燃料的重整。天然氣汽化重整制氫是目前國際上廣泛采用大規模制氫方法，制氫成本約為2－3＄／kg也是目前唯一能滿足燃料電池技術大規模推廣成本要求的制氫技術。此外，更為廉價的氫氣來源是化工行業的副產氫，經過提純加工后可作為燃料電池的燃料。2009年我國以1 500萬噸的氫氣產量，超過美國的900萬噸，成為為世界第一氫氣生產國，其中有相當大一部分是副產氫。據相關資料顯示，僅上海地區每年的副產氫就有55萬噸。這些氫氣如果不能有效利用，大多都采用直接排放到大氣或燃燒后產生熱能，因此這些氫氣的成本主要是運輸成本。目前，國內燃料電池行業使用氫氣主要是提純后的副產氫，如2010年上海世博會上燃料電池車輛使用的氫氣就來源于同濟大學和上海焦化廠合作開發的，生產能力為每小時400 m3的氫氣提純裝置。

氫的存儲方式可根據存儲介質分為物理儲氫、金屬氫化物儲氫、新型碳材料儲氫、有機液體儲氫和無機物儲氫等，根據氫的形態可分為氣態存儲、液態存儲和固態存儲三種形式。采用圓形鋼瓶氣態儲氫是目前工業領域最常用的儲氫方式，其技術成熟、安全可靠、價格低廉，但存儲壓力通常約為15 MPa，儲氫重量密度僅為1.6 wt%，通常用于對儲氫密度要求不高的場合。另外一種氣態儲氫方式是在車載領域廣泛使用的復合材料高壓氫瓶，其儲氫重量密度在工作壓力35 MPa時為13 wt%，而Dyneteck公司最新產品的安全工作壓力可達70 MPa，其儲氫重量密度約為23 wt%。該類型的儲氫瓶不僅在車載環境下進行了兩年連續運行、累計行駛10萬公里的測試，而且還進行了振動、沖擊、火燒以及高空墜落等試驗，均表現出良好的安全性。無論是技術成熟度、經濟性、儲氫密度和安全性等方面考慮，復合材料高壓氣態儲氫都是目前最適合的儲氫方式。由于氫氣的沸點很低，要維持液體狀態必須保持氫溫度低于21K，因此液態儲氫必須采用多層、絕熱的真空夾套結構容器，且具備高壓安全防護措施。盡管液氫儲氫方式是密度最高的，約為相同狀況下氫氣的800多倍，但是由于氫氣液化過程需要消耗約本身儲能的40%，并且蒸發率較高，因此目前主要用于航空航天領域。固態儲氫主要是利用金屬氫化物儲氫，其儲氫機理是：由于某些金屬或合金具備特殊的晶格結構，在一定條件下，當氫原子進入其晶格的四面體或八面體間隙時，氫與金屬或合金反應，放出反應熱并形成金屬氫化物，把氫儲存起來。當金屬氫化物在一定的壓力下受熱分解時，氫從中釋放出來供外界使用。金屬或合金的氫化物儲氫的體積密度甚至高于液氫，且存儲壓力非常低，具備很高的安全性，是儲氫技術的發展方向和研究重點。只是在目前技術條件下，其重量密度過低（約2 wt%）和制造成本過高，使用壽命有限，且氣體釋放過程對溫度要求較高，動態響應速度緩慢，要廣泛使用還需要進行大量、深入的研究工作。

和存儲類似，目前氫的運輸大多還是以高壓、氣態方式進行的，不僅成本較高，并且加注和壓縮過程都存在一定的能量損耗。從長遠發展來看，氫以氣態形式由管道輸運是最為便利和簡單的方法。美國能源部將高壓輸電與管道輸氫的經濟性進行了對比，結論表明使用500 kV高壓輸電，當距離大于800 km時，其經濟性還不如用管道輸氫。目前，美國已經建立了1 200英里的氫氣運輸管道，并且有更多的管道正在規劃和建設中。可以預見，在不久的將來，隨著燃料電池能源系統和氫能的普及，管道氫氣也必將成為未來能源傳輸重要方式。

5 燃料電池備用電源在通信行業的應用前景

隨著通信工業持續、快速地發展，持續增長的手機數量、高速互聯網的數據傳輸需求都對通信行業提出了更高的要求，不僅通信基站數量需要大幅度增加，而且通信服務的可靠性進一步增加。備用電源系統依然是通信行業可靠性保證的重要因素。無論是由于人為因素，還是自然災害等不可抗拒因素引起電網供電中斷時，都需要依靠備用電源為現場負載提供能量，以維持通信系統的正常工作。

目前，通信行業所使用的備用電源系統主要是蓄電池或蓄電池與發電機組成的混合系統。盡管這些備用電源系統技術成熟，且在通信行業應用廣泛，卻越來越不適合節能減排、低碳等社會的發展方向。不僅內燃機發電裝置能量轉換效率低、噪聲大、尾氣污染嚴重、依賴于石油等化石燃料，而且蓄電池性能受工作條件影響明顯、占地面積和重量大、維護頻率和費用過高等不足已經成為通信電源技術發展的一個瓶頸。提高備用電源的能量密度、功率密度、供電時間、使用壽命，降低其維護成本、占地面積、重量和對環境的影響，已經成為了通信行業不得不面對的問題，而燃料電池能源系統技術則無疑是解決這一問題的最佳選擇。無論是歐美，還是日本，即使我們的近鄰印度也都在大力發展通信用燃料電池備用電源系統。印度已有數千套燃料電池能源系統裝備了無線通信基站。

盡管傳統的備用電源系統技術成熟，然而燃料電池能源系統依然具有明顯的技術和成本優勢。燃料電池備用電源的優勢不僅僅是能量轉換效率高和低排放等眾所周知的因素，在維護成本、持續供電時間和環境適應性方面的優勢也都同樣明顯：存儲的能量以及持續工作時間可精確估計，具備很好的可預測性；工作溫度范圍廣，且性能幾乎不受環境溫度影響，具備更好的適應性；可通過擴展氫氣存儲系統實現工作時間的增加，不僅可以提供更長的持續工作時間，而且具備更好的可擴展性；使用壽命大于10年，累計工作時間可大于40 000小時，且維護周期可大于1年，大大優越于蓄電池1個月的維護周期和3至5年的使用壽命；重量更輕、占地面積更小，可大幅降低通信電源的初期建筑成本投入。隨著商業化進程的加快和市場容量的不斷擴大，。燃料電池能源系統的運作成本在未來幾年內將低于蓄電池備用電源系統。此外，使用燃料電池能源系統作為備用電源，為創建“資源節約型、環境友好型”社會做出貢獻同樣是巨大的。

如果燃料電池能源系統能和太陽能制氫、風力發電制氫等其它新能源技術相結合，則可組成長壽命、免維護的通信電源系統，為通信上使用的無人值守的光纜中繼站、無人值守的微波中繼站、海島等無市電的無線基站建設提供電源。不僅可為擴大我國的通信網絡覆蓋和提高通信質量做出直接的貢獻，而且可提高我國應對諸如地震、惡劣氣候等自然災害等突發情況時的快速機動和處理能力。

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