黃莎華，劉之景，王克逸

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系　精密機(jī)械和精密儀器系 合肥 230026)

摘要：燃料電池是一種將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，是當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制開(kāi)發(fā)的一種新型發(fā)電技術(shù)。本文綜合介紹了燃料電池的工作原理、分類、開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)在我們賴以生存的能源體系中，80%都依靠化石燃料——煤和石油。煤和石油是不可再生資源，會(huì)很快被用盡，且煤和石油的大量使用，使得全球氣候產(chǎn)生異常變化，環(huán)境污染日益加劇[1]。隨著世界人口的增長(zhǎng)及發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家消耗能源迅速增加，估計(jì)在今后十年，全球?qū)δ茉吹男枨髮⒃黾?0%。燃料電池有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如，將燃料電池用于交通工具，則這些國(guó)家的污染物排放量將減少40%～99%。燃料電池能大大減少CO2的產(chǎn)生量，幫助許多國(guó)家實(shí)現(xiàn)他們的京都目標(biāo)，所以它越來(lái)越受到各國(guó)的重視。特別是以氫/氫化合物為燃料的可直接發(fā)電的燃料電池更以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、重量輕、能源利用率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而倍受青睞[2]。

燃料電池的發(fā)展已有很長(zhǎng)的歷史[3]。1839年，Grove爵士通過(guò)將水的電解過(guò)程逆轉(zhuǎn)而發(fā)現(xiàn)了燃料電池的原理。它能夠從氫氣和氧氣中獲取電能。由于氫氣在自然界不能自由地得到，在隨后的幾年中,人們一直試圖用煤氣作為燃料，但均未獲得成功。1866年，Siemens發(fā)現(xiàn)了機(jī)電效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了發(fā)電機(jī)的發(fā)展，并使燃料電池技術(shù)黯然失色。直到20世紀(jì)60年代，宇宙飛行的發(fā)展，才使燃料電池技術(shù)重又提到議事日程上來(lái)。出于保護(hù)環(huán)境的能源供應(yīng)的需求，激發(fā)了人們對(duì)燃料電池技術(shù)的興趣。現(xiàn)在，美國(guó)軍方計(jì)劃在特種基地安裝幾百臺(tái)燃料電池發(fā)電機(jī)，日本取消了建造兩座特種的計(jì)劃，爭(zhēng)取在2010年前用燃料電池承擔(dān)220萬(wàn)千瓦的發(fā)電量??。這一切均表明，燃料電池在新世紀(jì)中必將深受寵愛(ài)，發(fā)展前景燦爛輝煌！本文概括介紹了燃料電池的工作原理、分類、開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[4]。

1燃料電池的工作原理、分類及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1燃料電池的工作原理

燃料電池，雖有燃字當(dāng)頭，實(shí)際上能量的獲得并不是通過(guò)燃燒，而是由氫氣和氧氣在空氣中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成電能。它與一般電池不同之處在于燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用。所需燃料(氫或通過(guò)甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)由外界輸入，原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)放電。因此燃料電池是名符其實(shí)的一種將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制。

這里以質(zhì)子交換膜燃料電池為例來(lái)說(shuō)明它的工作原理：從陽(yáng)極處的氫氣中抽取電子(氫氣被電化學(xué)氧化掉，或稱燃燒掉了)，發(fā)生反應(yīng)H2→2H++2e-。這些負(fù)電子經(jīng)外電路到達(dá)導(dǎo)電的陰極，同時(shí)余下的氫離子通過(guò)質(zhì)子滲透膜被送到陰極。在陰極，氫離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從陰極吸收電子，發(fā)生以下反應(yīng)1/2O2+2H++2e-→H2O，其電極總反應(yīng)為1/2O2＋H2→H2O(如圖2所示)。這一反應(yīng)的產(chǎn)品是電流、熱量和水。圖1～3為幾種燃料電池的工作原理示意圖[4,5]。

另外，僅有燃料電池本體還不能維持工作，還必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等?？窟@些輔助系統(tǒng)，燃料電池本體才能得到所需的燃料和氧化劑，并不斷排除燃料電池反應(yīng)所生成的水和熱。

1.2燃料電池的分類

目前已開(kāi)發(fā)了的低溫燃料電池(60～120)℃(如堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜(PEMFC)或固態(tài)聚合物燃料電池(SPFC))，中溫燃料電池(160～220)℃磷酸燃料電池(PAFC))以及高溫燃料電池(600～1000)℃(如熔融碳酸燃料電池(MCFC)和固態(tài)氧燃料電池(SOFC))等三類五種電池。這五種電池的特征及應(yīng)用總結(jié)見(jiàn)表1。

堿性燃料電池(AFC)的電解液效率很高(可達(dá)60%～90%)，但對(duì)影響純度的雜質(zhì)如二氧化碳很敏感。因而運(yùn)行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。它在太空飛行中的應(yīng)用倍受關(guān)注，因?yàn)榭臻g站的推動(dòng)原料是氫和氧，反應(yīng)產(chǎn)物飲用水，對(duì)空間環(huán)境不造成任何污染，同時(shí)還可提供宇航員使用[6]。

由于磷酸易得，反應(yīng)溫和，磷酸鹽型燃料電池(PAFC)成為發(fā)展最快、研究最成熟的一種燃料電池。現(xiàn)在新發(fā)展的二度空間PAFC的穩(wěn)恒態(tài)模型，將促進(jìn)PAFC的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)[7]。目前美國(guó)已有少量銷售PAFC，其商品化階段已經(jīng)開(kāi)始。熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)在所有的燃料電池中電壓效率最高[8]。據(jù)最新研究在沒(méi)有Ni短路的情況下，它甚至能在12～15大氣壓的高壓下工作超過(guò)40000h。MCFC現(xiàn)在正處于10～20kW向兆瓦級(jí)發(fā)展階段[9]。研究表明電池裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的效率有很大的影響，而系統(tǒng)的尺寸和操作條件的影響相對(duì)小得多。今后開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)應(yīng)放在裝置構(gòu)造上。1994年12月美國(guó)已建成迄今最大功率為250kW的MCFC電站[10]。

聚合物電介質(zhì)燃料電池(PEMFC)不僅是人造衛(wèi)星上可靠、低成本的動(dòng)力源，還可作為陸地上市區(qū)交通車輛和水下特種的動(dòng)力源[11]。由于它有很高的能量密度，現(xiàn)已成為汽車領(lǐng)域的熱點(diǎn)[12]。由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制的50千瓦質(zhì)子交換膜燃料電池城市客車發(fā)動(dòng)機(jī)，2002年10月10日通過(guò)了科技部組織的專家組測(cè)試考核。清華大學(xué)汽車研究所的標(biāo)準(zhǔn)工況實(shí)際測(cè)試考核表明，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣利用率高達(dá)97%，電池組發(fā)電效率達(dá)57%，發(fā)動(dòng)機(jī)效率大于42%。

各項(xiàng)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平[10]。美國(guó)至今已開(kāi)發(fā)的具有代表性的運(yùn)輸用燃料電池公共客車、轎車已達(dá)30多種。預(yù)計(jì)，2020年聚合物氫氣燃料電池將發(fā)動(dòng)百萬(wàn)臺(tái)汽車[13]。

固態(tài)氧化物燃料電池SOFC正在積極研制開(kāi)發(fā)中，它是高溫下先進(jìn)的電化學(xué)反應(yīng)器。其單個(gè)電池的性能不僅取決于材料本身的性能，還與電極/電極界面的各自微結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)有很大關(guān)系[14]。目前美國(guó)已有5kW的SOFC產(chǎn)品出售[15]。一些公司還打算把SOFC和儲(chǔ)氫合金結(jié)合起來(lái)，用于開(kāi)發(fā)汽車用燃料電池。高溫固體氧化物燃料電池直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)，減少能量的損失，發(fā)電效率達(dá)50%以上，總發(fā)電率可達(dá)到85%以上。燃料使用面廣，余熱利用率高。但這種電池由于電解質(zhì)電導(dǎo)率不高，必須在高溫下操作，連接密封材料必須使用鉑等稀貴金屬，電池成本隨之大大增加。據(jù)報(bào)道，目前中國(guó)科技大學(xué)無(wú)機(jī)膜研究所已經(jīng)研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質(zhì)的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內(nèi)阻，提高了有用功率的輸出，從而不需要高溫的條件，實(shí)現(xiàn)了中溫化，操作溫度降到700～500℃。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了成本。倫敦帝國(guó)大學(xué)的一家派生公司已開(kāi)發(fā)了一種中溫的SOFC，它能提供安全連續(xù)的能源，并配有可移動(dòng)的輔助電池組，以便自由應(yīng)用，這種電池可靈活地用甲烷、甲醇、乙醇或純凈的氫氣為燃料[16]。

2燃料電池的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及展望

在上世紀(jì)60年代初，堿性燃料電池用于太陽(yáng)神阿波羅太空飛船，標(biāo)志著燃料電池技術(shù)成為民用。燃料電池可在1s之內(nèi)迅速提供滿負(fù)荷動(dòng)力，并可承受短時(shí)過(guò)負(fù)荷(幾秒鐘)。其特性很適合作為備用電源或安全保證電源。為實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)態(tài)特性，在供電時(shí)必須有獨(dú)立的氫氣來(lái)源?，F(xiàn)在，燃料電池作為環(huán)境保護(hù)和高效發(fā)電系統(tǒng)而倍受關(guān)注。各國(guó)都在加緊燃料電池的開(kāi)發(fā)[17]。

首先，由于燃料電池的成本已降低到只有燒礦物燃料電站的2倍，所以，第一個(gè)成熟的生產(chǎn)產(chǎn)品是燃料電池發(fā)電機(jī)。當(dāng)前，一些燃料電池制造廠家如巴拉德公司，正研發(fā)可供普通居民使用或便攜式的燃料電池發(fā)電裝置。美國(guó)的H動(dòng)力公司已開(kāi)發(fā)出45kW的燃料電池發(fā)電機(jī)。位于美國(guó)康涅狄格州的國(guó)際燃料電池公司，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出了使用天然氣、可發(fā)出200kW電力的燃料電池發(fā)電機(jī)。該名為PC25的發(fā)電機(jī)可滿足中等規(guī)模辦公樓電力需求。燃料電池發(fā)電機(jī)之所以具有如此大的吸引力，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電或核能發(fā)電相比，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：

(1)燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，其有效能效可達(dá)60%～70%，其理論能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。而目前汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為40%～50%，當(dāng)用熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，其效率僅為35%～40%，其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽(yáng)能電池效率為20%，均無(wú)法與燃料電池相比。而且，據(jù)最新報(bào)道，Cao等[18]已研究了一套能量恢復(fù)系統(tǒng)，它能恢復(fù)燃料電池堆中損失的熱量，提高燃料電池的利用率。此系統(tǒng)可使燃料電池的能量提高40%，而且，從電池堆中損失的熱量90%都能恢復(fù)。

(2)比能量或比功率高。

(3)適用能力強(qiáng),可以使用多種多樣的初級(jí)燃料。如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經(jīng)專門裝置對(duì)它們重整制取。

(4)污染小、噪聲低,能大大減少污染排放。特別是氫燃料電池，其發(fā)電后的產(chǎn)物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染,是今后研究的重點(diǎn)。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了25kw的凈化甲醇的燃料加工器，它產(chǎn)生氫氣的速度可達(dá)25nm3/h，所得氫的純度為99.9995%[19]。另外，由于燃料電池?zé)o熱機(jī)活塞引擎等機(jī)械傳動(dòng)部分，故操作環(huán)境無(wú)噪聲污染[20]。

(5)高度可靠性。燃料電池發(fā)電裝置由單個(gè)電池堆疊至所需規(guī)模的電池組構(gòu)成。由于這種電池組是模塊結(jié)構(gòu)，因而維修十分方便。另外，當(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)，故無(wú)論處于額定功率以上過(guò)載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。這種優(yōu)良性能使燃料電池在用電高峰時(shí)可作為調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能電池使用。

其次，近年來(lái)，燃料電池汽車也脫穎而出，成為現(xiàn)有各種汽車強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，主要原因是其具有的優(yōu)點(diǎn)倍受青睞。燃料電池汽車的三大優(yōu)點(diǎn)[21]：

(1)低排放。燃料電池通過(guò)電化學(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，直接產(chǎn)生電和熱，排出水，而不污染環(huán)境。以甲醇、汽油等為燃料的燃料電池汽車雖也產(chǎn)生二氧化碳，但其排放量比內(nèi)燃機(jī)的要少得多，且沒(méi)有其它污染排放(如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘?問(wèn)題。

(2)燃料多樣化。燃料電池所使用的氫可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來(lái)源的多樣化有利于能源供應(yīng)安全和利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施(如加油站等)。

(3)效率高及性能高。由于燃料電池沒(méi)有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，其效率大為提高，約為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。燃料電池汽車在成本和整體性能上(特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上)也明顯優(yōu)于其它電池的電動(dòng)汽車。

不久前在美國(guó)底特律舉辦的汽車展覽會(huì)，更成了燃料電池欣欣向榮、蒸蒸日上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)！參加展覽的各大著名公司：通用、福特、本田、豐田等一致看好燃料電池，并表示在2003～2004年內(nèi)首批燃料電池電動(dòng)汽車將行駛在馬路上！

燃料電池今后的發(fā)展方向除了電動(dòng)車輛(包括公交車輛、拖拉機(jī)、叉式裝卸機(jī)、高爾夫車和特種車輛等)和熱電站外，另一方向是使燃料電池小型化[22]。由于燃料電池與普通電池相比具有能源和裝置靈活，壽命及待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，生態(tài)平衡好，自身排放低等優(yōu)點(diǎn)[23]，今后它將替代普通電池在膝上電腦、便攜式電子器件等方面應(yīng)用。據(jù)《科學(xué)美國(guó)人》報(bào)道，美國(guó)洛斯阿拉芙斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室霍克最近研制成功微型燃料電池[24]，其電池尺寸和價(jià)格可與傳統(tǒng)的鎳鎘電池相比，重量?jī)H為鎳鎘電池的一半，但供電能力為鎳鎘電池的50倍。預(yù)期這種微型燃料電池用于移動(dòng)電話，可連續(xù)待機(jī)40d，而僅消耗不到2盎司的甲醇?；艨四壳罢盐㈦娮蛹夹g(shù)引入微型燃料電池制作中，準(zhǔn)備制作25µm厚的微型電池。另外，還有把燃料電池用于電子廣告牌和電動(dòng)自行車的報(bào)道[25]。

但是，在燃料電池得到廣泛應(yīng)用之前，必須解決其費(fèi)用問(wèn)題。降低價(jià)格的關(guān)鍵障礙是產(chǎn)生電力的排氣管和把氫從天然氣中分離出來(lái)的微型化學(xué)工廠——重整爐。二者都用極為昂貴的鉑作催化劑來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)。過(guò)去5年中，制造商已經(jīng)把燃料電池裝置中使用的鉑減少了1/8，其主要途徑是設(shè)計(jì)需要較少鉑的系統(tǒng)并把鉑與較為便宜的金屬熔合。但是為了大幅度降低燃料電池的成本，他們還需要進(jìn)一步減少鉑的用量。當(dāng)然，除了必須解決成本問(wèn)題以外，制造商們還應(yīng)設(shè)法減少現(xiàn)有燃料電池的體積以及提高它們的耐久性。

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