燃料電池技術(shù)發(fā)展概述

曾勛

摘 要 自從第二次科技革命以來，已經(jīng)有一百多年的歷史了。傳統(tǒng)的火力發(fā)電是將燃料中的化學(xué)能先轉(zhuǎn)化為熱能，利用熱蒸汽產(chǎn)生的機(jī)械能來對外做功發(fā)電。而燃料電池則是致力于直接將儲存的燃料與氧化劑之間的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。作為一種特殊的能量轉(zhuǎn)化方式，它具有效率高、清潔、用途廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)。燃料電池不僅在航天飛船、潛艇、發(fā)電站等方面得到重用，而且可以作為手機(jī)、電腦等各種各樣的用電設(shè)備的儲備電源。盡管燃料電池有著無可比擬的優(yōu)勢和極其廣泛的應(yīng)用前景，然而高成本、壽命短、不穩(wěn)定等諸多技術(shù)瓶頸使得它的商業(yè)化面臨重大挑戰(zhàn)。本文主要從燃料電池的發(fā)展背景、工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀來對燃料電池技術(shù)進(jìn)行講解，并對未來前景做出分析，從而推動其商業(yè)化。

關(guān)鍵詞 燃料電池 新能源 燃料電池汽車 質(zhì)子交換膜燃料電池

1燃料電池的研究背景及工作原理

1.1燃料電池的研究背景

能源問題是當(dāng)今社會發(fā)展三大難題之一，而今已經(jīng)越發(fā)嚴(yán)重。傳統(tǒng)的能源利用方式，受到熱機(jī)效率卡羅循環(huán)的限制，能源利用率不會超過40%，而燃料電池發(fā)電理論能量利用率可高達(dá)90%。其實(shí)，作為一種使用燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化電能的裝置，早在1839年英國人Grove就已經(jīng)發(fā)明了。如今，其優(yōu)勢更加顯著，燃料電池由此成為21世紀(jì)的研究熱點(diǎn)，也是各國政府重點(diǎn)支持的工程項(xiàng)目，可以說燃料電池的研發(fā)在21世紀(jì)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。60年代，燃料電池成功地應(yīng)用于阿波羅登月飛船。從此以后，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域。日本自1981～1990年進(jìn)行集中研究磷酸鹽燃料電池，目前5兆瓦級加壓型和1兆瓦級常壓型電廠已經(jīng)投入運(yùn)行。在全球環(huán)境保護(hù)問題日益突出的今天，燃料電池汽車作為環(huán)保型汽車越來越受到人們的重視。而近幾年燃料電池汽車的發(fā)展勢頭大大超過了蓄電池電動汽車。盡管燃料電池大規(guī)模的商業(yè)化還存在各種各樣的問題，但是它的研究還是進(jìn)行的如火如荼。

1.2燃料電池的工作原理

燃料電池本質(zhì)上是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置，其組成與一般電池相同。單體燃料電池可以看作是由正負(fù)兩個電極以及電解質(zhì)組成。在燃料電池中，負(fù)極為燃料電極，正極為氧化劑電極。常用燃料可以是氫氣、各種富含氫的氣體如重整氣和甲醇等，而氧化劑較為常用的是凈化空氣、氧氣和一些液體如過氧化氫和硝酸的水溶液等。但是，與鉛蓄電池、鋰離子電池等常規(guī)蓄電池不一樣的是，燃料電池工作時，氧化劑和燃料可以源源不斷地由外部提供。這樣可以把燃料電池看作一種能量轉(zhuǎn)換裝置，不斷地將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。理論上，只要燃料和氧化劑不斷，反應(yīng)不斷發(fā)生，生成物不斷排出，就可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。

燃料電池的種類有很多，依據(jù)工作溫度的不同，可以分為低溫、中溫和高溫三種類型;依據(jù)內(nèi)部電解質(zhì)的不同，又可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等類型;依據(jù)燃料的不同，汽車用燃料電池可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池、汽油燃料電池等。這各種各樣的燃料電池類型不僅說明了它種類繁多，也代表著其較大的應(yīng)用范圍。

燃料電池內(nèi)部發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)，電極就必然起著傳遞電子，形成電流回路的作用，但與普通電池不同，它的電極表面發(fā)生的是多相催化反應(yīng)，電極表面只起到催化作用，電極本身不參與反應(yīng)。以下以最常見的也是研究最多的氫氧燃料電池為例來介紹一下燃料電池的工作原理（如圖1）。

氧電進(jìn)行還原反應(yīng)，得到電子，反應(yīng)式為：

O2 + 4e- → 2O2-

燃料電極進(jìn)行還原反應(yīng)，失去電子，反應(yīng)式為：

2H2 -2e- → 4H+

2燃料電池的特點(diǎn)

2.1研發(fā)的復(fù)雜性與精細(xì)性

自燃料電池這個概念提出至今，已經(jīng)有一百多年了，然而到今天燃料電池的實(shí)際應(yīng)用還不能令人滿意，它還不足以替代現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換模式。在科學(xué)體系高度成熟的今天，為什么它依舊不能突破最關(guān)鍵的一部呢？其實(shí)這在于其研發(fā)的復(fù)雜性與精細(xì)性。它涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等多種學(xué)科的有關(guān)理論，但是沒有一個系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)。同時，與一些其它類型的蓄電池相比，燃料電池的燃料電化學(xué)活性比較低。就實(shí)用性而言 ，氫氣作為燃料的話，它的電化學(xué)活性較高，理論也比較完善，催化反應(yīng)相對較為簡單，條件也不那么苛刻。但是作為氣體，氫氣的儲存運(yùn)輸存在很大問題，安全性難以保證，氫氣的制備工藝也不能令人滿意。其它液體燃料如甲醇、乙醇、乙酸等，存儲運(yùn)輸以及安全性都很好，理論比能量也較高，然而它的催化工藝如此復(fù)雜，它的碳碳鍵或是碳?xì)滏I釋放能量相當(dāng)困難，其電極反應(yīng)中間產(chǎn)物中間過程太多，這導(dǎo)致其催化劑的研究一直都取得沒有令人滿意的進(jìn)展。目前，多種金屬、不同形貌、不同比例的合金催化劑是人們普遍關(guān)注的，然而他們大多都離不開Pt、Pd這種貴金屬，因此成本增加。同時有的催化反應(yīng)需要高溫，有的催化劑易被催化反應(yīng)的中間產(chǎn)物給毒化，有的催化劑的穩(wěn)定性較差，這種種原因?qū)е铝舜呋瘎┑膲勖^短，又間接地增加了燃料電池的制造成本。

2.2巨大的綜合優(yōu)勢

可以這樣講，在目前已知的科技手段中，還沒有哪一項(xiàng)能源生成技術(shù)能夠像燃料電池一樣將諸多優(yōu)點(diǎn)集合于一身。傳統(tǒng)火力發(fā)電依靠高溫?zé)嵴羝苿育嫶蟮臏u輪機(jī)組來發(fā)電，雖然效果不錯，但其極低的運(yùn)行效率對化石能源來說是一個極大的浪費(fèi)。一般這種大型渦輪機(jī)組發(fā)電的同時，需要立即通過高壓電網(wǎng)向外輸送，這樣既增加損耗，也增長了對輸電網(wǎng)的依賴性。并且渦輪機(jī)組發(fā)電的時候，也制造了可惡的噪音和大量的廢熱。燃料電池可以通過多個燃料電池的單體進(jìn)行串聯(lián)或是并聯(lián)來輸出需要的電流和電壓，因此它的發(fā)電設(shè)備具有散布性的特質(zhì)。長距離、高電壓的輸電網(wǎng)絡(luò)及中央發(fā)電站式的電力輸配架構(gòu)，大大降低了能源利用的安全性，很容易因某一點(diǎn)的故障使得整個系統(tǒng)發(fā)生癱瘓。顯而易見，燃料電池就不一樣，它只是一個能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，它只需要源源不斷的燃料和氧化劑的供給就可以持續(xù)發(fā)電。在特殊的場合下，模塊化的設(shè)置可提供極高的穩(wěn)定性。氧化劑可以是來自空氣中的氧氣，而燃料的來源也非常廣泛，它的啟動和停止都是極易操作的。每個家庭、機(jī)構(gòu)和工廠都可以獨(dú)立使用，彼此之間可以互不相關(guān)，相互獨(dú)立，這樣最大程度上降低了能源的風(fēng)險性。

除此之外，燃料電池還體現(xiàn)了高度的環(huán)境親和性。目前，環(huán)境問題愈來愈突出，人們保護(hù)環(huán)境的呼求也愈來愈高。據(jù)調(diào)查顯示，市區(qū)污染性的空氣可能是造成心血管疾病及癌癥的元兇之一，各地的霧霾等異常天氣對人們的生活也造成了極大的影響。毫無疑問的是燃油發(fā)動機(jī)的使用，是空氣污染的重要因素之一。燃油發(fā)動機(jī)工作時溫度很高，部分燃料氧化不充分很容易生成CO這種有毒氣體，空氣中的N2在內(nèi)燃機(jī)中也可以轉(zhuǎn)化為各種氮氧化合物。這些產(chǎn)物往往不能被很好地處理就被釋放到空氣當(dāng)中，成為空氣中的污染物。而燃料電池不一樣，燃料電池中的氫氣燃料電池的生成物是綠色產(chǎn)物水，甲醇燃料電池及乙酸燃料電池的生成產(chǎn)物是H2O、CO2，這都不至于產(chǎn)生有毒氣體排放到空氣中。 燃料電池發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中，化學(xué)能被安靜地釋放，噪聲小、振動小，散熱系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)也就更加簡單;產(chǎn)出物清潔無污染，也不需要進(jìn)行凈化和消 聲處理，這樣更容易實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)管理。

2.3系統(tǒng)復(fù)雜性

燃料電池要實(shí)現(xiàn)自動化，絕不是一個單單的電池就可以實(shí)現(xiàn)的。它工作條件和特性要求決定了它系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同的工作特性有不同的技術(shù)要求。下面以氫氣燃料電池為例做出說明。空氣中的氧氣可以做氧化劑，這是最普遍的，然而空氣里面的一些雜質(zhì)可以對燃料電池的工作核心催化劑產(chǎn)生副作用，這就需要空氣壓縮及空氣預(yù)處理單元。對氫氣而言就更為嚴(yán)格。氫氣的儲存既要注意安全性，也要注意比容量的要求。同時反應(yīng)之后，并不是所有的氫氣都反映完全，這需要重復(fù)回收處理單元。有時候由于工作溫度的要求，也許還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳崽幚怼Ｏ旅媸且粋€氫氣燃料電池的系統(tǒng)布置圖（如圖2）。

3燃料電池汽車

盡管燃料電池種類繁多并且及多種優(yōu)點(diǎn)于一身，但它的技術(shù)問題沒有太大的突破性進(jìn)展，這阻止它走向日常生活當(dāng)中。在航天工業(yè)、潛艇工業(yè)等軍工行業(yè)中，我們可以不計(jì)成本，但民用普及的時候卻不行。目前，在環(huán)境問題的困擾中和政府的支持下，燃料電池汽車正在小規(guī)模走向市場。或許，在這些剛性需求的帶動下，燃料電池的理論及應(yīng)用技術(shù)都將取得長遠(yuǎn)的進(jìn)步。廣泛應(yīng)用于電動汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)子交換膜的燃料電池（PEMFC） ，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。同時，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調(diào)整等特性，使得PEMFC非常適合用作交通工具的動力源。

燃料電池汽車的動力系統(tǒng)一般由質(zhì)子交換膜燃料電池、蓄電池、電機(jī)和系統(tǒng)控制設(shè)備組成。燃料電池所生成的電能經(jīng)過DC /DC 轉(zhuǎn)換器、DC /AC逆變器等的變換， 帶動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)， 將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能， 為汽車提供動力。電動汽車的關(guān)鍵能源動力技術(shù)包括電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、控制器技術(shù)。電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制器技術(shù)是電動汽車所特有的技術(shù)，這3項(xiàng)技術(shù)也是一直制約電動汽車大規(guī)模進(jìn)入市場的關(guān)鍵因素。

從全球范圍看，日本和韓國的燃料電池研發(fā)水平處于全球領(lǐng)先的地位，像豐田、日產(chǎn)和現(xiàn)代汽車公司，在燃料電池汽車的耐久性、壽命和成本方面逐步超越了美國和歐洲。中國雖然已經(jīng)完成多次燃料電池汽車的大規(guī)模示范運(yùn)行，但與國外的燃料電池汽車示范運(yùn)行相比還有不小的差距。

4燃料電池技術(shù)展望

燃料電池的諸多優(yōu)點(diǎn)不再贅述，它的應(yīng)用前景也顯而易見。在多種技術(shù)制約因素當(dāng)中，以液體為燃料的燃料電池的核心是高性價比的催化劑。對于氫氣燃料電池而言，氫氣的儲存和制備是其核心問題。對于后者而言，存在的是天然的缺陷，如果試圖徹底決解其中的技術(shù)問題來獲得較優(yōu)的綜合性能，只會變得更加復(fù)雜。而像甲醇、乙酸等燃料，可以直接從石油、煤、植物、農(nóng)作物中提取，來源廣泛。同時，像乙酸這種燃料，既是液體又是無毒的，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，既方便又安全，體積比能量也可以達(dá)到較高水平。然而，找到高效廉價穩(wěn)定的催化劑是它走向市場化關(guān)鍵性制約因素。現(xiàn)有的Pt基或Pd基合金催化劑，原料稀有價格昂貴，穩(wěn)定性和壽命都不盡如人意。有關(guān)催化劑的理論復(fù)雜但也不完善，無法以理論來指導(dǎo)催化劑的合成制備工藝，只能更多地依賴于實(shí)驗(yàn)。生物體內(nèi)的各種復(fù)雜的蛋白酶可以將葡萄糖里面的化學(xué)能慢慢轉(zhuǎn)化釋放出來的原理或許能給我們提供啟發(fā)。

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