燃料電池——蓄勢(shì)待發(fā)的綠色電池

　　引言

　　燃料電池（FuelCell）最早可追溯到1839年英國(guó)WilliamGrove進(jìn)行的水逆電解反應(yīng)時(shí)所發(fā)明的技術(shù)，至于其真正的實(shí)用化，則直到20世紀(jì)60年代才實(shí)際應(yīng)用在航天及太空上。到20世紀(jì)80年代，在環(huán)保、節(jié)能等全球議題帶動(dòng)下，美國(guó)、日本、加拿大、韓國(guó)及西歐各國(guó)等數(shù)百家公司及研究機(jī)構(gòu)積極投入，燃料電池開(kāi)始進(jìn)入民用市場(chǎng)，到20世紀(jì)90年代后期燃料電池技術(shù)新專(zhuān)利不斷產(chǎn)生。近年，在低碳經(jīng)濟(jì)的全球背景下，燃料電池研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程有加快趨勢(shì)。

　　1 定義

　　燃料電池是一種在等溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效率（37~70%）地轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的電源產(chǎn)品；由于所使用的主要是氫氣、醇類(lèi)等燃料，且轉(zhuǎn)動(dòng)的組件極少，具有對(duì)環(huán)境負(fù)荷?。ǖ臀廴荆?、低噪音的特點(diǎn)，故其不僅適合用于中央電廠和區(qū)域分散電廠發(fā)電，亦可作為交通運(yùn)輸工具（例如電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)機(jī)車(chē)及電動(dòng)自行車(chē)等）的動(dòng)力電源，近年來(lái)，在國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)的積極投入研發(fā)推動(dòng)下，具有成為便攜式電子產(chǎn)品下一代動(dòng)力電池的潛力。

　　2 工作原理

　　燃料電池實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)裝置，組成與一般電池相同，其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，限制了電池容量，而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件，因此，燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。

　　電池工作時(shí)，負(fù)極供給燃料（氫），正極供給氧化劑（空氣）。具體來(lái)說(shuō)，它是利用一種叫質(zhì)子交換膜的技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在陽(yáng)極催化分解成為質(zhì)子（氫離子）和電子，氫離子進(jìn)入電解液中到達(dá)正極，電子不能通過(guò)質(zhì)子交換膜達(dá)到正極，而是沿外部電路移向正極，用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水并釋放熱量。

　　燃料電池在產(chǎn)生電能過(guò)程中并不會(huì)產(chǎn)生明火，也不需要旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件，因此，燃料電池構(gòu)造簡(jiǎn)單，能量利用率高，噪音小而且穩(wěn)定。理論上，應(yīng)用于汽車(chē)的燃料電池可以把氫燃料能量的60~70%轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而內(nèi)燃機(jī)只能達(dá)到20~25%。

圖1燃料電池工作原理示意圖

　　3 分類(lèi)

　　燃料電池按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為不同的類(lèi)別：如按照電池的運(yùn)行機(jī)理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；按照電解質(zhì)的種類(lèi)可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；按照燃料類(lèi)型可劃分氫氣、甲醇、甲烷、乙烷等燃料電池；按照工作溫度可劃分為低溫型、中溫型和高溫型燃料電池；按照結(jié)構(gòu)類(lèi)型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

表1燃料電池按不同的方法分類(lèi)

　　4 劃分標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)別

　　按運(yùn)行機(jī)理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

　　按電解質(zhì)種類(lèi)分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

　　按燃料類(lèi)型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等燃料電池

　　按工作溫度分為低溫型（溫度低于200℃）、中溫型（溫度為200~750℃）、高溫型（溫度高于750℃）燃料電池

　　按結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

　　不同種類(lèi)燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池，如受車(chē)用動(dòng)力青睞的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），這類(lèi)燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉(zhuǎn)化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物，不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質(zhì)量較輕。但催化劑鉑（Pt）會(huì)與工作介質(zhì)中的一氧化碳（CO）發(fā)生作用后產(chǎn)生“中毒”現(xiàn)象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑（Pt）的價(jià)格很高，增加了燃料電池的成本。

　　在高溫（600~1000℃）下工作的燃料電池，如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），這類(lèi)的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復(fù)合廢熱回收裝置來(lái)利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。

　　5 主要特性

　　傳統(tǒng)能源利用方式主要有兩大弊?。阂皇莾?chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必需首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率一半以上被浪費(fèi)；二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類(lèi)的生活環(huán)境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

　　多年來(lái)人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式，而燃料電池就是比較理想的發(fā)電技術(shù)。燃料電池十分復(fù)雜，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(dòng)控制等眾多學(xué)科相關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。

表2燃料電池主要特性

　　6 燃料電池發(fā)展瓶頸

　　燃料電池與其他動(dòng)力相比雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也面臨成本過(guò)大、造價(jià)偏高的問(wèn)題。例如車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%，質(zhì)子交換膜約占35%，這兩者的造價(jià)都很昂貴。另外，燃料電池的啟動(dòng)速度與內(nèi)燃機(jī)引擎還有差距，燃料電池的反應(yīng)性和穩(wěn)定性二者存在不可兼得的矛盾。同時(shí)燃料電池的碳?xì)淙剂夏壳斑€無(wú)法直接利用，除甲烷外均須經(jīng)轉(zhuǎn)化器處理產(chǎn)生純氫才可以應(yīng)用。此外，儲(chǔ)氫技術(shù)的制約和加氫充氣站基礎(chǔ)建設(shè)的不足也極大地制約了燃料電池的推廣。

　　總而言之，燃料電池在以下幾個(gè)方面有待突破。

　　燃料電池使用成本：（1）燃料電池使用貴金屬鉑作為催化，且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性；（2）氫氣制取成本高，每公斤氫氣價(jià)格為汽油的數(shù)倍，儲(chǔ)運(yùn)難度大，氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本高；（3）燃料電池的穩(wěn)定性、壽命、復(fù)雜路況下的性能衰減，維護(hù)費(fèi)用較高。

　　加氫網(wǎng)絡(luò)：氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體，且很難液化。氣體狀態(tài)下，能量密度低（680個(gè)大氣壓下的氫氣氣體，能量密度僅為一加侖汽油液體的14%）。氫能基礎(chǔ)設(shè)施落后，短時(shí)間內(nèi)難以組成一個(gè)像加油站一樣的網(wǎng)絡(luò)。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)比不同類(lèi)型電池性能和應(yīng)用后，賽迪顧問(wèn)認(rèn)為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于污染性和續(xù)航能力等問(wèn)題，傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫電池將逐漸被淘汰。隨著鋰電池技術(shù)的不斷成熟，制造成本和安全性能的逐漸提高，鋰離子電池在未來(lái)五到十年內(nèi)將是動(dòng)力電池發(fā)展的主流方向。

　　但是，鋰離子電池存在下游原料供應(yīng)短缺、電池安全穩(wěn)定性差等方面問(wèn)題。而燃料電池是一種純正的綠色清潔能源，可減輕溫室效應(yīng)使全球氣候變暖，符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)的需要，同時(shí)氫氣等燃料供給來(lái)源途徑廣闊，燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿?。如果燃料電池在技術(shù)上有突破的話，燃料電池將有很大的發(fā)展空間。

表3燃料電池與其他動(dòng)力電池比較

　　預(yù)計(jì)到本世紀(jì)20年