燃料电池的发展与应用

常雪嵩 周 瑶 田 萌 李连豹 韦 虹 李双清 李 军 王瑞平，2

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引言

燃料电池是一种新型的发电装置，可以储存在燃料和氧化剂中，有效地转化为电能，FC是一种新的发电设备和车用动力，没有噪声，没有污染，功率高，规模大和效率高[1]。燃料电池作为一种环保的新能源，科研人员已逐渐重视对燃料电池的研究，也取得了一些进展[2-3]。

1 燃料电池国外与国内发展概况

燃料电池是一种在能量转化过程中可以降低能源损失的发电设备，这也是上个世纪人们一直致力于生产研究的原因。氢气与氧气反应可以发电是由一个英国人W.Grove，在1839年提出的。受当时各种条件的限制，这一发现并没有得到广泛的研究与重视。1965年8月，第一个离子交换膜电池是由美国的科学家开发的，用作航天飞机的主要能源来源。目前，世界上许多国家正在认真考虑燃料电池发电技术。美国和日本是世界燃料电池研究的领导者。2 MW、4.5 MW和11 MW燃料电池的发电装置已进行生产，燃料电池的发展已在世界上形成了热潮[4-6]。

1958年我国才开始对燃料电池进行研究，那个时候的人们对燃料电池的推广热情非高，但不久就停了下来。在20世纪70年代早期，在航天计划的带领下，中国的FC研究如火如荼地进行。武汉大学、原电子部天津电力供应研究所、中国科学院大华研究所等单位开发了碱性燃料电池（AFC），取得了一定的成效。后来，由于航天计划的改变，FC研究基本上被暂停。我国形成燃料电池的第二次发展浪潮是在20世纪90年代，那时由于我国面对两方面压力：环保和能源，并且世界上也对燃料电池取得了一定的成果。目前，中国的燃料电池主要包括固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、生物燃料电池（BFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等[7]。

2 燃料电池的优点

FC主要优点包括：

1）高能量转化率，电能转换效率达到40%～60%，无论在各种工况下运行，无论设备大小都有高的电效率；

2）燃料多样性，通过与燃料供给装置组合可以适用的燃料广泛，节约石油等不可再生能源；

3）负荷响应快，运行质量高，具有很强的过载能力；

4）比用天然气和煤气等为燃料时，NOx和SOx等排出量少，环境相容性优；

5）施工周期短，电站占地面积小，安装地点灵活。根据需求，电池堆可以代替电站的电力。

3 燃料电池工作原理及类型

燃料电池有两个电极，分别是由正极和负极（燃料电极是负极而氧化剂电极是正极）以及电解质组成。氢-氧燃料电池反应是电解水的逆过程：

图1为氢燃料电池工作原理示意图。

目前主要的燃料电池类型有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）。每种燃料电池主要性能特征如下：

图1 氢燃料电池原理图

1）AFC（碱性燃料电池）

电解质：氢氧化钾溶液；

工作温度：室温～90℃；

电化学效率：60%～70%；

燃料、氧化剂：氢气、氧气；

功率输出：300 W～5 kW。

2）PEMFC（质子交换膜燃料电池）

电解质：质子交换膜；

工作温度：室温～80℃；

电化学效率：40%～60%；

燃料、氧化剂：氢气、氧气（或空气）；

功率输出：1kW。

3）PAFC（磷酸燃料电池）

电解质：磷酸；

工作温度：160～220℃；

电化学效率：55%；

燃料、氧化剂：天然气、沼气、双氧水、空气。

功率输出：200 kW。

4）MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）

电解质：碱金属碳酸盐熔融混合物

工作温度：620～660℃；

电化学效率：65%；

燃料、氧化剂：天然气、沼气、煤气、双氧水、空气；

功率输出：2 000～10 000 kW。

5）SOFC（固体氧化物燃料电池）

电解质：氧离子导电陶瓷；

工作温度：800～1 000℃；

电化学效率：60%～65%；

燃料、氧化剂：天然气、沼气、煤气、双氧水、空气；

功率输出：100 kW。

4 燃料电池的应用

4.1 燃料电池汽车

燃料电池汽车（FCV）是一种由车载燃料电池驱动的电力汽车。车载燃料电池装置中使用的燃料是高度纯氢或含氢燃料，这些燃料是通过改造获得的。与传统的电动汽车相比，FCV的动力来自车载燃料电池设备，而电动汽车的动力来自于通过电网充电的蓄电池。因此，FCV的关键是燃料电池。在空气中氧气与氢气进行氧化还原反应，在催化剂的作用下使电子与离子发生分解，形成电流，使汽车电机运转，这就驱动了汽车。甲醇、天然气和汽油也可以取代氢，但会产生很少的二氧化碳和氮氧化物。目前应用在汽车领域的多数为质子交换膜燃料电池，电子通过外电路才能到达阴极，氢离子可直接穿过质子交换膜到达阴极。当电子通过外电路向阴极流动时就产生直流电了。反应分子式为：

图2为质子交换膜燃料电池技术原理图。

图2 质子交换膜燃料电池技术原理图

4.2 燃料电池汽车的特点

燃料电池汽车与传统内燃机汽车相比，在结构和功率传输方面都有所不同，这样一来，就为汽车的整体设计提出了新的要求。传统燃油发动机和传动动力系统不再存在于燃料电池汽车中，而是被燃料电池反应堆，电动机，DC/DC转换器，电池，氢气罐和其他装置所取代。悬架和刹车系统都会作出相应改变。所以，从燃料电池汽车的特点出发，在设计时应该进行相应的变化。

燃料电池汽车具有以下特点：

1）能量转化效率高：燃料电池的能量转换效率为内燃机的2～3倍；

2）零排放，不污染环境：燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水；

3）氢燃料来源广泛，可以从可再生能源获得，不依赖石油燃料；

4）运行平稳，无噪声；

5）对比锂电池，燃料电池可以保留人们的驾驶习惯，它解决了锂电池的续航能力和快速补能问题；

6）在低温启动，能量回收技术及循环寿命上，燃料电池汽车也接近于传统内燃机汽车的性能。

5 燃料电池与锂电池的比较

5.1 能量密度比较

锂电池作为一种蓄电池，它是一个密封的系统。锂电池只是能量的载体，要想运行，就要先充电。电极材料的能量密度直接影响锂电池的能量密度。锂已经是原子量最小的金属元素，即使是纯锂电极，其能量密度也只有燃料电池的1/120，而商业化的技术难题非常大，以至于几十年来没有突破性的进展。

5.2 功率密度比较

燃料电池作为一个开放的动力系统，有着相对稳定的输出功率，要提高放电功率就要增加一个动力电池系统。然而能量储存的问题是不需要额外电池考虑的，对电池寿命没有过高要求，在真实工况下的使用限制很少。

锂电池理论上的放电效率很高，为了保护电池寿命，使用限制是很大的。作为一个低能量密度、高功率放电和高续航里程的封闭能量存储系统，除非电池的重量大大增加，否则很难兼容。

5.3 体积能量密度、节能环保比较

笔者将2 L汽油车与对应的45度锂电池车和输出功率100 kW燃料电池汽车作了分析，将体积能量密度和节能环保比较，如表1、表2所示。

表1 体积能量密度

表2 节能环保

5.4 安全性比较

锂电池：封闭的能量系统，原则上高能量密度和安全性是很难兼容的，轻微碰撞及易着火，由于它是固体，在大气中很难上升，燃烧在车舱的底部，车辆会很快着火，被报废。其中三元电池能量密度高，不耐高温，250～350℃就会分解，安全性差，需要复杂的电池保护设备。

燃料电池：该存储装置是由碳纤维制成，在多角度碰撞测试中，以80 km/h的速度碰撞完全不受损坏。氢气密度小，当它着火时，系统溢出的氢气会迅速上升，保护汽车和乘客。

6 结束语

经过半个世纪的发展，燃料电池已经在世界各地逐渐被应用，尤其是在汽车工业发展相当迅速。各国政府大力推广燃料电池相关示范项目，从机场摆渡车辆到城市公交车，再到家庭用车。燃料电池汽车的研发工作稳步推进，全球汽车公司已进入产业化燃料电池汽车的准备阶段，燃料电池汽车已在2015年进入大规模生产阶段。目前，我国车载燃料电池的研究仍落后于国际先进水平，受限于使用寿命、成本和性能，中国的燃料电池汽车仍处于汽车性能改进和小规模应用的阶段。今后，中国应大力推进燃料电池在汽车领域的应用，着力解决寿命、成本、性能三大问题，建立低碳、低排放、不依赖化石能源的能量转换技术新体系。