氫燃料電池的研究進(jìn)展

胡慶松

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

新能源汽車

氫燃料電池的研究進(jìn)展

胡慶松

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

氫燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能連續(xù)地轉(zhuǎn)化為電能的裝置。氫燃料電池以化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，不受熱發(fā)動機(jī)卡諾循環(huán)的限制，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。文章介紹了氫燃料電池的分類、工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)，以及PEMFC商業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題，展望其發(fā)展前景。

氫燃料電池；轉(zhuǎn)換效率；瓶頸問題

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，三大化石能源的不斷開發(fā)和使用，能源儲備短缺與環(huán)境污染兩大問題日益突出。PM2.5嚴(yán)重超標(biāo)，所導(dǎo)致連續(xù)的霧霾天氣是對全社會人類的一個嚴(yán)重警告。使得人們對綠色能源氫能的開發(fā)與利用以及新型動力裝置燃料電池的研發(fā)呈現(xiàn)出巨大的吸引力[1]。燃料電池是一種高效、清潔的發(fā)電裝置，將儲存在燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。其能量不受科諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率可高達(dá)90%。是內(nèi)燃機(jī)實(shí)際使用率的2-3倍。對環(huán)境零污染，是21世紀(jì)首先的清潔高效發(fā)電技術(shù)。而氫燃料電池成為國內(nèi)外企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，主要由于能量轉(zhuǎn)化效率高，清潔污染小；無振動，噪音低；環(huán)境友好性與高度可靠性等優(yōu)點(diǎn)，從而氫燃料電池具有廣泛的市場［2］。

1 燃料電池的分類

燃料電池種類很多，而且分類方式也各不同。常用分類方式是按照燃料電池電解質(zhì)性質(zhì)不同和的工作溫度來分類，按電解質(zhì)分類，燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)、磷酸燃料電池( Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、固體氧化物燃料電池( Solid Oxide Fuel Cell，SOFC) 、堿性燃料電池( Alkaline Fuel Cell，AFC) 及熔融碳酸鹽燃料電池( Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC) 等［3］五種常用的不同電解質(zhì)燃料電池；按照工作溫度范圍不同來區(qū)分時，一般將 AFC、PEMFC歸為低溫燃料電，PAFC為中溫燃電池，而MCFC和SOFC則屬于高溫燃料電池，見表1[4]。

表1 燃料電池的分類

2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

PEMFC主要由陰極、陽極、電解質(zhì)與外部電路組成。PEMFC工作時，燃料（氫氣）在陽極催化劑的作用下，離化成氫離子（H+）并釋放出電子（e-），氫離子（H+）穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子（e-）則經(jīng)過電流收集板收集，由外電路流向陰極（對外電路作功）；氧化劑（氧氣或空氣）在陰極催化劑作用下被還原并與H+、外電路電子e-結(jié)合生成排放物僅有水一種物質(zhì)。

圖1 PEMFC工作原理示意圖

PEMFC的電化學(xué)反應(yīng)如下：

（1）陽極反應(yīng)：2H2→4H++4e-

（2）陰極反應(yīng)：O2+4H++4e-→2H2O

（3）總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O+Q

可以看出，在PEMFC工作過程中，若氫氣和氧氣不斷地從陽極與陰極輸入，電池中的電化學(xué)反應(yīng)就會不停的進(jìn)行下去，電子就會連續(xù)不斷地從陽極輸出并經(jīng)外部電路形成通路電流，從而產(chǎn)生連續(xù)不斷的電能并為用電裝備提供動力。

3 氫燃料電池的優(yōu)勢

（1）能量轉(zhuǎn)換效率高，綠色無污染：燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)，不是采用燃燒(柴、汽油)或儲能(蓄電池)方式，燃料電池只會產(chǎn)生水、熱與電能，對環(huán)境無污染。如果制氫過程是通過可再生能源產(chǎn)生的，整個循環(huán)過程就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)[5]。

（2）無振動、噪聲低：根據(jù)燃料電池的工作原理知，只要燃料和催化劑從外部不斷地輸入，燃料電池即可不斷地發(fā)出電能，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通原電池和充電電池。因?yàn)闆]有往復(fù)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以燃料電池運(yùn)行時震動非常小，噪聲大約只有55 dB，相當(dāng)于人們正常交流的水平。另外，在整個工作過程中沒有噪聲與機(jī)械振動，減少了機(jī)械器件的相互磨擦，從而在一定程度上延長了使用壽命。

（3）制氫原料多，能源補(bǔ)充快：燃料電池所使用的氫氣來源廣泛，自然界中氫大量存儲在水中，可采用水電解制氫；也可以從可再生能源中獲得，可用天然氣、甲醇、汽油以及再生能源等。燃料電池所需要的燃料主要是氫氣，充氣或更換氫氣瓶一般只需要幾分鐘，比純電動汽車的蓄電池充電時間要短。

4 氫燃料電池的成本與壽命是其商業(yè)化的主要瓶頸

4.1 PEMFC成本

雖然，PEMFC的性能和壽命都能滿足一些特殊場合的使用，但是PEMFC的成本成問題為限制其商業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。PEMFC的系統(tǒng)成本不高于2萬元/kw［6］，其中PEMFC電池堆成本約占總系統(tǒng)成本的60%，而質(zhì)子交換膜成本約占PEMFC電池堆成本的 25%，催化劑成本約占電池堆成本的25%，雙極板成本約占電池堆成本的40%。所以PEMFC中的雙極板、催化劑和質(zhì)子交換膜是主要的電池成本，成本的降低依賴于降低催化劑的使用量、質(zhì)子交換膜和雙極板的加工成本以及PEMFC的規(guī)模化生產(chǎn)。目前，PEMFC催化劑的鉑擔(dān)載量已經(jīng)從起初的5mg/cm2降低到0.5mg/cm2以下，甚至文獻(xiàn)［7］報道可以達(dá)到 0.013mg/cm2，催化劑的鉑擔(dān)載量降低大大降低了PEMFC的成本。另外，發(fā)展低成本、高性能的氧還原催化劑（非鉑催化劑）是解決鉑資源短缺、降低燃料電池成本、實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵。

4.2 電池使用壽命

《中國制造2025》和美國能源部的規(guī)劃指出，到2020 年車用PEMFCs的運(yùn)行壽命均要達(dá)到5000h。而當(dāng)前車用PEMFCs的使用壽命一般為 2500-3000h[8]。當(dāng)前，很多實(shí)驗(yàn)室研究PEMFC發(fā)現(xiàn)可達(dá)10000h，但實(shí)際應(yīng)用到汽車上時，其壽命直線縮減，使用壽命還有待提高。

4.3 氫燃料電池發(fā)展前景

氫燃料電池的研發(fā)以及商業(yè)化進(jìn)展，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的必要手段。氫燃料電池的實(shí)用性已經(jīng)得到全世界公認(rèn)，在加大對氫燃料電池的研發(fā)與利用方面盡管還存在一些問題，比如電極材料、制造成本、催化劑等問題，但作為真正意義上零污染清潔能源，氫燃料電池在全世界的應(yīng)用正在提速增加。隨著成本下降與氫能技術(shù)的全面發(fā)展，燃料電池商業(yè)化進(jìn)程中的問題會逐步得到解決，相信不久的將來氫燃料電池就會應(yīng)用于生活的方方面面，人們將不再為化石能源和環(huán)境問題而擔(dān)憂。

[1] 毛宗強(qiáng).氫能-21世紀(jì)的綠色能源[M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 侯明,衣寶廉. 燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué). 2012.18( 1):9－12．

[3] Yi Baolian(衣寶廉). Fuel Cells-Principle, Technologies and Appli cations (燃料電池--原理·技術(shù)·應(yīng)用)[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003.

[4] 劉鳳君.高效環(huán)保的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 李涵武.電動汽車技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[6] XU H,WU M,LIU Y,etal.Durability of nafion-teflon-phosphotungstic acid composite membranes in PEM fuel cells at 100defree sign C and 25%PH[J].ECS Transactions,2006,3(1):561-8.

[7] PEMFC系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)概述[Z].2013-03-20].http://www. chinahydrogen.org.PEMFC system specifications outlined[Z].2013-03-20]. http://www.china-hydrogen.org.

[8] 陳會翠,裴普成.車用質(zhì)子交換膜燃料電池經(jīng)濟(jì)壽命的研究[J]. 汽車工程,2015.37(9):999-1004.

Research Progress of Hydrogen Fuel Cell

Hu Qingsong
( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450046 )

Hydrogen fuel cell was a device that could convert the chemical energy of fuel and oxidant into electrical energy.The hydrogen fuel cell realized the energy conversion in a chemical way, which was not limited by the Kano cycle of the engine, and it had high conversion efficiency.This paper introduces the classification, working principle, advantages and disadvantages of hydrogen fuel cell, as well as the bottleneck of PEMFC commercialization development, and looks forward to its development prospect.

hydrogen fuel cell; conversion efficiency; bottleneck problem

U461.99

A

1671-7988 (2017)21-114-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.038

CLC NO.: U461.99

A

1671-7988 (2017)21-114-03

胡慶松，就讀于華北水利水電大學(xué)。