燃料電池距我們有多遠(yuǎn)？

0 引言

國際能源界預(yù)測，本世紀(jì)氫能將得到廣泛的應(yīng)用，而燃料電池將成為利用氫能的重要途徑。燃料電池是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電裝置，它是可以替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。燃料電池具有安全、高效、無污染、適用廣、無噪聲等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。

1 基本原理

普通電池是將電池內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，而燃料電池是將電池外部的燃料（氫和氧）通過化學(xué)反應(yīng)，將其釋放的能量轉(zhuǎn)變成電能輸出。燃料電池外部的燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)活動(dòng)裝置，可以方便地更換和補(bǔ)充燃料。

燃料電池的基本原理是水的電解的逆反應(yīng)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣），在電極上常使用催化劑（例如白金）來加速電化學(xué)反應(yīng)。氫在負(fù)極分解成正離子H＋和電子e。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則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。

2 燃料電池的種類及其特點(diǎn)

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC)

該電池的電解質(zhì)為離子交換膜，薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑（如白金），其兩側(cè)分別供應(yīng)氫氣及氧氣。由于PEM燃料電池的唯一液體是水，因此腐蝕問題很小，且操作溫度介于80℃～100℃之間，安全上的顧慮較低；其缺點(diǎn)是，作為催化劑的白金價(jià)格昂貴。PEMFC是輕型汽車和家庭應(yīng)用的理想電力能源，它可以替代充電電池。

2.2 堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cells—AFC)

堿性燃料電池的設(shè)計(jì)與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)基本相似，但其電解質(zhì)為穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。操作時(shí)所需溫度并不高，轉(zhuǎn)換效率好，可使用的催化劑種類多且價(jià)格便宜，例如銀、鎳等。但是，在最近各國燃料電池開發(fā)中，卻無法成為主要開發(fā)對象，其原因在于電解質(zhì)必須是液態(tài)，燃料也必須是高純度的氫才可以。目前，這種電池對于商業(yè)化應(yīng)用來說過于昂貴，其主要為空間研究服務(wù)，包括為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。

2.3 磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC)

因其使用的電解質(zhì)為100％濃度的磷酸而得名。操作溫度大約在150℃～220℃之間，因溫度高所以廢熱可回收再利用。其催化劑為白金，因此，同樣面臨白金價(jià)格昂貴的問題。到目前為止，該燃料電池大都使用在大型發(fā)電機(jī)組上，而且已商業(yè)化生產(chǎn)，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

2.4 熔融碳酸鹽燃料電池((Molten Carbonate Fuel Cells—MCFC)

其電解質(zhì)為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽。在電極方面，無論是燃料電極還是空氣電極，都使用具有透氣性的多孔質(zhì)鎳。操作溫度約為600℃～700℃，因溫度相當(dāng)高，致使在常溫下呈現(xiàn)白色固體狀的碳酸鹽熔解為透明液體。此型燃料電池，不需要貴金屬當(dāng)催化劑。因?yàn)椴僮鳒囟雀?，廢熱可回收再利用，其發(fā)電效率高達(dá)75％～80％，適用于中央集中型發(fā)電廠，目前在日本和意大利已有應(yīng)用。

2.5 固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells—SOFC)

其電解質(zhì)為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩(wěn)定度較高，不需要催化劑。一般而言，此種燃料電池操作溫度約為1000℃，廢熱可回收再利用。固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比熔融碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。其效率約為60％左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。缺點(diǎn)是構(gòu)建該型電池的耐高溫材料價(jià)格昂貴。

2.6 直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cells—DMFC）

直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，然后如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。這種電池的工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約在40％左右。其使用的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但已成功地顯示出可以用作移動(dòng)電話和筆記本電腦的電源。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。

2.6 再生型燃料電池（Regenerative Fuel Cells—RFC）

再生型燃料電池的概念相對較新，但全球已有許多研究小組正在從事這方面的工作。這種電池構(gòu)建了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫，而是將燃料電池中生成的水送回到以太陽能為動(dòng)力的電解池中分解成氫和氧，然后將其送回到燃料電池。目前，這種電池的商業(yè)化開發(fā)仍有許多問題尚待解決，例如成本，太陽能利用的穩(wěn)定性等。美國航空航天局（NASA）正在致力于這種電池的研究。

2.8 鋅空燃料電池(Zinc－air Fuel Cells—ZAFC)

利用鋅和空氣在電解質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。鋅空燃料電池的最大好處是能量高。與其他燃料電池相比，同樣的重量，鋅空電池可以運(yùn)行更長的時(shí)間。另外，地球上豐富的鋅資源使鋅空電池的原材料很便宜。它可用于電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子和軍事領(lǐng)域，前景廣闊。目前Metallic Power和Power Zinc公司正在致力于鋅空燃料電池的研究和商業(yè)化。

2.9 質(zhì)子陶瓷燃料電池(Protonic Ceramic Fuel Cells—PCFC)

這種新型燃料電池的機(jī)理是：在高溫下陶瓷電解材料具有很高的質(zhì)子導(dǎo)電率。Protonetics International Inc.正在致力于這種電池的研究。

3 燃料電池的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀

燃料電池技術(shù)在全球的開發(fā)極為活躍。全世界約有20多個(gè)國家的上千家公司和機(jī)構(gòu)投入巨額資金從事燃料電池的研究和商業(yè)化工作。目前，已有2500多個(gè)燃料電池系統(tǒng)安裝在世界各地，為醫(yī)院、托兒所、賓館、辦公樓、學(xué)校、機(jī)場和電廠等提供基本的和備用的電力供應(yīng)。

美國是研究燃料電池最早的國家，處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。早在上世紀(jì)60年代初，NASA為解決航天飛機(jī)中普通電池過重的問題而開始研究新的動(dòng)力裝置。之后的幾十年中，能源部（DOE）、電力研究所（EPRI）和氣體研究協(xié)會(huì)（GRI）等部門都投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行研發(fā)。目前，堿性電池長期被NASA采用；磷酸型電池技術(shù)也相當(dāng)成熟，已有廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。2MW的熔融碳酸鹽電池已投入運(yùn)行，西屋（Westinghouse）公司100kW固體氧化物電池也已在荷蘭安裝。

日本在30多年前就開始燃料電池的研究，近年來成果尤為顯著。開發(fā)重點(diǎn)集中在磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型3大類。容量達(dá)11MW的磷酸鹽發(fā)電裝置也已在東京電力公司投運(yùn)，效率達(dá)43.6％，熔融碳酸鹽型已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的有2MW級(jí)裝置。另外還建立了許多賓館、醫(yī)院用的100kW級(jí)的磷酸型現(xiàn)場發(fā)電電池系統(tǒng)。

歐洲各國燃料電池開發(fā)較美國、日本為晚。早年主要興趣在堿性電池，隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越特性逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，歐洲各國也加快了燃料電池技術(shù)的引進(jìn)開發(fā)。荷蘭、意大利、德國、西班牙等國分別完成10kW、100kW、280kW級(jí)碳酸鹽型電池的開發(fā)，德國和瑞士分別進(jìn)行了7kW和10kW級(jí)固體氧化物電池的開發(fā)；意大利于1991年投運(yùn)了美國造的1MW級(jí)磷酸型電池裝置。

由于石油短缺和汽車尾氣污染等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，目前燃料電池研發(fā)生產(chǎn)的一個(gè)重要方向是能夠給汽車提供動(dòng)力。幾乎所有大的汽車制造商都在研發(fā)使用燃料電池的電動(dòng)汽車，并已有示范車型。目前，豐田和本田公司已經(jīng)在日本和美國開展電動(dòng)汽車的租車業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在已有一些使用充電電池的電動(dòng)汽車，但使用燃料電池的電動(dòng)汽車市場仍處于培育階段。專家們預(yù)測到2010年前后才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。應(yīng)用于便攜式設(shè)備（手機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦等）的微型燃料電池的研發(fā)競爭也在激烈地進(jìn)行。

我國燃料電池的研制開發(fā)起步并不晚，然而發(fā)展緩慢。上世紀(jì)70年代，為配合航天事業(yè)的發(fā)展我們在堿性燃料電池領(lǐng)域取得了一些進(jìn)步，但到上世紀(jì)80年代由于資金原因研發(fā)放慢了，直至上世紀(jì)90年代末才又開始新一輪的研發(fā)及商業(yè)化嘗試。

在國內(nèi)燃料電池研發(fā)工作中具有代表性的大連化學(xué)物理研究所，已經(jīng)從事燃料電池的研究近50年，早年曾成功研制了500W的堿性型燃料電池，近年來致力于質(zhì)子膜、熔融碳酸鹽和固體氧化物型電池的研究。該所在2001年至2003年間，將30kW的質(zhì)子膜電池組用在小型汽車和大型公共汽車上示范成功，并成立了新源動(dòng)力公司，開始了產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程。2003年春，該所與清華大學(xué)合作將75kW的質(zhì)子膜電堆應(yīng)用在公共汽車上。在直接甲醇燃料電池方面，大連化物所、韓國三星公司、南孚電池公司建立了合作實(shí)驗(yàn)室。目前，中國科技大學(xué)無機(jī)膜研究所已成功研制了新型中溫固體氧化物燃料電池。6種燃料電池的應(yīng)用及技術(shù)狀態(tài)見表1，國內(nèi)部分從事燃料電池研發(fā)的機(jī)構(gòu)[5]見表2。

表1 6種燃料電池的應(yīng)用及技術(shù)狀態(tài)