小型氫燃料電池的應用現狀及發展趨勢 ①

于承雪，張心周，張 科，劉 陽，沈 藝

(1.中鈦國創(青島)科技有限公司，山東 青島 266111；2.沈陽中鈦裝備制造有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引言

在全球綠色低碳轉型趨勢下，氫氣作為一種清潔的高效的可再生能源，已成為新一輪能源技術的變革方向，世界各國和地區正圍繞氫能源加快全產業鏈布局。燃料電池(fuel cell，FC)是一種將燃料和氧化劑在催化劑的作用下，把兩者電化學反應產生的能量直接轉化為電能的裝置，且能量轉換效率高、無污染。目前，氫燃料電池主要以發展大功率型燃料電池為主[1-3]，主要應用于交通運輸領域，如重卡、乘用車、叉車等，用量逐年增多。自1990年代開始，世界各國的科研機構、院校、企業致力于將小功率型氫燃料電池開發應用于便攜式電源、移動分布式電源、家用熱電聯供系統等小型設備電源，以減少人類對化石能源的依賴[4-5]。

2 氫燃料電池的原理

氫燃料電池是將氫氣和空氣中的氧氣在催化劑的作用下，兩者的化學能直接轉化為電能，且反應產物只有水，其結構由陽極、陰極、電解質、外部電路構成。氫氣由燃料電池的陽極端通入，然后在陽極催化劑的作用下形成帶正電荷的氫離子并穿過電解質到達陰極，與空氣中的氧結合形成水，而在陽極釋放的電子通過外電路傳導到陰極形成回路，從而產生電流[6]。

燃料電池根據不同的電解質，可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cell,AFC)、磷酸鹽型燃料電池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(molten carbonate fuel cell,MCFC)、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、固態氧化物型燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)和直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)。其中，PEMFC技術是目前全球最成熟、發展最快、示范應用推廣最多的燃料電池技術。

3 氫燃料電池的特點

由于氫氣和氧氣在催化劑作用下的電化學反應是放熱反應，且反應產物只有水，所以燃料電池既可以供電，也可以供熱，其主要特點有以下幾個。

(1)能量轉化率高，目前在燃料電池的設計、材料、工藝等不斷優化提高下，各類燃料電池的電效率可達40%～60%，若采用熱電聯供系統，其綜合效率可高達85%以上。

(2)無環境污染，由于燃料電池的反應產物只有水，從根本上避免了二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害物質的排放。

(3)低噪音，由于燃料電池采用電化學發電原理，除供氫、供氧、冷卻系統等部件外，其電堆發電沒有活動部件，因此工作時噪音低、安靜。

(4)可靠性高，與普通電池、鋰電池相比，燃料電池可實現低溫環境下正常工作，可作為各種應急電源、便攜式電源使用。

(5)氫燃料來源廣泛，既可以通過煤、石油等化石燃料制取氫氣，也可以利用風電、太陽能、潮汐能等可再生能源電解水制取氫氣。

4 小型氫燃料電池的應用

4.1 便攜式電源

氫燃料電池作為便攜式電源，與鋰電池相比，質量輕、續航時間長，為此世界許多公司對便攜式氫燃料電池進行了深入的研發。

美國Ultracell公司2005年為美國陸軍研制了一種專用產品XX25型RMFC，該系統質量僅為1.14 kg，輸出功率為25 W，配備16.8 kg的燃料筒，可連續供電28天[7]。美國Ball公司[7]為美國陸軍提供了功率為50 W和100 W的PPS-50和PPS-100便攜式PEMFC，主要用于為軍用電池充電、通信基站電源。

浙江高成綠能科技公司開發的MINEK100便攜式PEMFC發電系統，質量約15 kg，系統體積36.9 L，額定功率70 W，峰值功率150 W，可作為電子裝備供電電源。上海攀業氫能源科技有限公司推出了200 W型PEMFC系統，采用硼氫化鈉作為氫源，可在20～200 W的功率區間內供電。北京氫璞創能科技有限公司推出了系統質量1 kg左右、輸出功率20 W的NowoGenS 20型便攜式PEMFC系統[8]。

4.2 小型氫燃料電池無人機

與傳統的燃油動力無人機相比，氫燃料電池作為能源，具有無污染、低噪音等優勢，更加適用于無人機完成各種復雜環境下的任務[9-11]。

2003年，Aero Vironment公司開發了小型燃料電池“Hornet(大黃蜂)”無人機項目，無人機采用PEMFC系統，總質量170 g，航時15 min，開啟了燃料電池無人機時代[12,13]。

2009年美國海軍研究實驗室完成了“Ion Tiger(離子虎)”無人機項目的研制，采用Protonex公司550 W輕型燃料電池，攜帶氣態氫氣創造了航時26 h的飛行記錄[14,15]。2019年，韓國Meta Vista公司采用Intelligent Energy公司800 W的燃料電池動力模塊，配備6 L液態儲氫瓶，創造了旋翼類無人機最長航時12 h的記錄。表1為國外輕小型燃料電池無人機性能/參數。

表1 國外輕小型燃料電池無人機性能/參數Table 1 Performance/parameters of foreign light and small fuel cell UAV.

2010年，臺灣成功大學采用1 000 W的燃料電池和5 000 mAh的鋰電池，開發了無人機“灰禿鷹”，總飛行時長為15 min[16]。2016年，深圳科比特航空公司采用1 800 W燃料電池和鋰電池共同供電，研制了HYDrone-1800多旋翼無人機，進行了4 h的試驗[17]。圖1為旋翼氫燃料電池無人機。

圖1 旋翼氫燃料電池無人機Fig.1 Hydrogen fuel cell powered rotor UAVs.

4.3 小型氫燃料電池熱電聯供系統

小型氫燃料電池熱電聯供系統是一種既可以發電，也可以供熱的能源裝置，是一種新型分布式能源技術，即使是在較小輸出功率的情況下，系統的綜合能源利用效率也可以超過90%，其一般輸出功率不大于5 kW。

美國Massie[18-19]等人開發了5 kW家用質子交換膜燃料電池熱電聯供系統，其發電效率為24.4%，綜合利用效率為29.7%，為熱電聯供系統的性能提升和應用推廣積累了大量的試驗數據。

德國的Konig[20,21]等人開發了2 kW的質子交換膜燃料電池熱電聯供系統，既能提供2 kW的交流電，也能提供60 ℃熱水。

2004年韓國GSFuelCell公司開發了1 kW家用熱電聯供系統，發電效率32%，發熱效率44%，可提供60 ℃熱水。

2008年日本通產省制定了ENE-FARM計劃，由松下、東芝等企業負責開發700～1 000 W家用燃料電池熱電聯供系統。從2009—2019年，共銷售30萬套以上系統，其產品綜合效率達90%，產品壽命可達10年[22]。日本熱電聯供系統結構原理示意如圖2所示。

圖2 日本熱電聯供系統結構原理示意Fig.2 Schematic diagram of the structure and principle of the combined heat and power system in Japan.

我國氫燃料電池熱電聯供系統的研發和應用，以中小企業為主，開發和應用的產品種類少，市場培育進展緩慢，產品整體性能較國外同類產品有較大差距。上海神力科技有限公司開發了3 kW純氫熱電聯供系統，能量綜合效率超過80%。2019年江蘇鏵德氫能源科技有限公司開發的5 kW熱電聯供系統，其發電效率在30%～34%，能量綜合效率可達85%以上。表2為國內外小型氫燃料電池熱電聯供系統產品性能[23]。

表2 國內外小型氫燃料電池熱電聯供系統產品性能Table 2 Performance of small hydrogen fuel cell heat and power system at home and abroad.

4.4 氫燃料電池自行車、摩托車

PEMFC是一種高效、環保的新型能源動力系統，特別適用于自行車、摩托車的動力來源。

2000年12月，Manhattan Scientific與Aprilia S.D.A.公司共同開發了一款燃料電池概念自行車Enjoy，該車采用Nov Ars PEMFC系統，2 L貯氫瓶，速度30 km/h，可行駛112 km。2001年加拿大PaLcan公司采用400 W空冷的PEMFC系統開發的概念自行車，PEMFC系統質量為2 kg，速度25 km/h，可行駛125 km[24]。

2010年日本鈴木開展燃料電池摩托車的研究，并在2014年6月推出了Burgman，采用Intelligent Energy提供的1.6 kW PEMFC系統，摩托車總重170 kg，最高速度63 km/h，在30 km/h速度下，可行駛350 km。

上海神力科技有限公司開發了一款500 W PEMFC系統自行車，速度30 km/h，可行駛80～120 km[24]。2021年1月，宗申動力采用自主研發的PEMFC系統，開發了一款氫燃料電池摩托車，最高速度100 km/h，可行駛100 km。王順全[25]開發了一種自行車用氫燃料電池動力系統，采用風冷的240 W PEMFC系統和48 V@8 Ah鋰電池，配備2 L@30 MPa儲氫瓶，最高速度25 km/h，可行駛150 km。

5 結論

在“碳達峰、碳中和”大趨勢下，氫能源是最具潛力的新一代能源。氫燃料電池是一項能源轉換效率高、環保、低噪音的革新技術，隨著國家、地方政府的各項產業政策的引導、支持及示范應用推廣，氫燃料電池技術必將迎來技術的全面進步、成本的大幅降低、電池可靠性和使用壽命的顯著提高及基礎應用設施的逐步完善。小型氫燃料電池系統將會在人們的生活中得到日漸廣泛的應用，如應急電源、獨立住宅、小型集中住宅、便利店、獨立商戶、自由出行等，要對小型氫燃料電池的未來充滿極大的信心。