燃料電池技術發展概述

曾勛

摘 要 自從第二次科技革命以來，已經有一百多年的歷史了。傳統的火力發電是將燃料中的化學能先轉化為熱能，利用熱蒸汽產生的機械能來對外做功發電。而燃料電池則是致力于直接將儲存的燃料與氧化劑之間的化學能轉化為電能。作為一種特殊的能量轉化方式，它具有效率高、清潔、用途廣泛等諸多優點。燃料電池不僅在航天飛船、潛艇、發電站等方面得到重用，而且可以作為手機、電腦等各種各樣的用電設備的儲備電源。盡管燃料電池有著無可比擬的優勢和極其廣泛的應用前景，然而高成本、壽命短、不穩定等諸多技術瓶頸使得它的商業化面臨重大挑戰。本文主要從燃料電池的發展背景、工作原理、發展現狀來對燃料電池技術進行講解，并對未來前景做出分析，從而推動其商業化。

關鍵詞 燃料電池 新能源 燃料電池汽車 質子交換膜燃料電池

1燃料電池的研究背景及工作原理

1.1燃料電池的研究背景

能源問題是當今社會發展三大難題之一，而今已經越發嚴重。傳統的能源利用方式，受到熱機效率卡羅循環的限制，能源利用率不會超過40%，而燃料電池發電理論能量利用率可高達90%。其實，作為一種使用燃料進行化學反應轉化電能的裝置，早在1839年英國人Grove就已經發明了。如今，其優勢更加顯著，燃料電池由此成為21世紀的研究熱點，也是各國政府重點支持的工程項目，可以說燃料電池的研發在21世紀迎來前所未有的發展機遇。60年代，燃料電池成功地應用于阿波羅登月飛船。從此以后，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域。日本自1981～1990年進行集中研究磷酸鹽燃料電池，目前5兆瓦級加壓型和1兆瓦級常壓型電廠已經投入運行。在全球環境保護問題日益突出的今天，燃料電池汽車作為環保型汽車越來越受到人們的重視。而近幾年燃料電池汽車的發展勢頭大大超過了蓄電池電動汽車。盡管燃料電池大規模的商業化還存在各種各樣的問題，但是它的研究還是進行的如火如荼。

1.2燃料電池的工作原理

燃料電池本質上是一種電化學的發電裝置，其組成與一般電池相同。單體燃料電池可以看作是由正負兩個電極以及電解質組成。在燃料電池中，負極為燃料電極，正極為氧化劑電極。常用燃料可以是氫氣、各種富含氫的氣體如重整氣和甲醇等，而氧化劑較為常用的是凈化空氣、氧氣和一些液體如過氧化氫和硝酸的水溶液等。但是，與鉛蓄電池、鋰離子電池等常規蓄電池不一樣的是，燃料電池工作時，氧化劑和燃料可以源源不斷地由外部提供。這樣可以把燃料電池看作一種能量轉換裝置，不斷地將化學能直接轉化為電能。理論上，只要燃料和氧化劑不斷，反應不斷發生，生成物不斷排出，就可以實現持續發電。

燃料電池的種類有很多，依據工作溫度的不同，可以分為低溫、中溫和高溫三種類型;依據內部電解質的不同，又可以分為質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等類型;依據燃料的不同，汽車用燃料電池可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池、汽油燃料電池等。這各種各樣的燃料電池類型不僅說明了它種類繁多，也代表著其較大的應用范圍。

燃料電池內部發生的是化學反應，電極就必然起著傳遞電子，形成電流回路的作用，但與普通電池不同，它的電極表面發生的是多相催化反應，電極表面只起到催化作用，電極本身不參與反應。以下以最常見的也是研究最多的氫氧燃料電池為例來介紹一下燃料電池的工作原理（如圖1）。

氧電進行還原反應，得到電子，反應式為：

O2 + 4e- → 2O2-

燃料電極進行還原反應，失去電子，反應式為：

2H2 -2e- → 4H+

2燃料電池的特點

2.1研發的復雜性與精細性

自燃料電池這個概念提出至今，已經有一百多年了，然而到今天燃料電池的實際應用還不能令人滿意，它還不足以替代現有的能量轉換模式。在科學體系高度成熟的今天，為什么它依舊不能突破最關鍵的一部呢？其實這在于其研發的復雜性與精細性。它涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等多種學科的有關理論，但是沒有一個系統性的理論指導。同時，與一些其它類型的蓄電池相比，燃料電池的燃料電化學活性比較低。就實用性而言 ，氫氣作為燃料的話，它的電化學活性較高，理論也比較完善，催化反應相對較為簡單，條件也不那么苛刻。但是作為氣體，氫氣的儲存運輸存在很大問題，安全性難以保證，氫氣的制備工藝也不能令人滿意。其它液體燃料如甲醇、乙醇、乙酸等，存儲運輸以及安全性都很好，理論比能量也較高，然而它的催化工藝如此復雜，它的碳碳鍵或是碳氫鍵釋放能量相當困難，其電極反應中間產物中間過程太多，這導致其催化劑的研究一直都取得沒有令人滿意的進展。目前，多種金屬、不同形貌、不同比例的合金催化劑是人們普遍關注的，然而他們大多都離不開Pt、Pd這種貴金屬，因此成本增加。同時有的催化反應需要高溫，有的催化劑易被催化反應的中間產物給毒化，有的催化劑的穩定性較差，這種種原因導致了催化劑的壽命較短，又間接地增加了燃料電池的制造成本。

2.2巨大的綜合優勢

可以這樣講，在目前已知的科技手段中，還沒有哪一項能源生成技術能夠像燃料電池一樣將諸多優點集合于一身。傳統火力發電依靠高溫熱蒸汽推動龐大的渦輪機組來發電，雖然效果不錯，但其極低的運行效率對化石能源來說是一個極大的浪費。一般這種大型渦輪機組發電的同時，需要立即通過高壓電網向外輸送，這樣既增加損耗，也增長了對輸電網的依賴性。并且渦輪機組發電的時候，也制造了可惡的噪音和大量的廢熱。燃料電池可以通過多個燃料電池的單體進行串聯或是并聯來輸出需要的電流和電壓，因此它的發電設備具有散布性的特質。長距離、高電壓的輸電網絡及中央發電站式的電力輸配架構，大大降低了能源利用的安全性，很容易因某一點的故障使得整個系統發生癱瘓。顯而易見，燃料電池就不一樣，它只是一個能量轉換的設備，它只需要源源不斷的燃料和氧化劑的供給就可以持續發電。在特殊的場合下，模塊化的設置可提供極高的穩定性。氧化劑可以是來自空氣中的氧氣，而燃料的來源也非常廣泛，它的啟動和停止都是極易操作的。每個家庭、機構和工廠都可以獨立使用，彼此之間可以互不相關，相互獨立，這樣最大程度上降低了能源的風險性。

除此之外，燃料電池還體現了高度的環境親和性。目前，環境問題愈來愈突出，人們保護環境的呼求也愈來愈高。據調查顯示，市區污染性的空氣可能是造成心血管疾病及癌癥的元兇之一，各地的霧霾等異常天氣對人們的生活也造成了極大的影響。毫無疑問的是燃油發動機的使用，是空氣污染的重要因素之一。燃油發動機工作時溫度很高，部分燃料氧化不充分很容易生成CO這種有毒氣體，空氣中的N2在內燃機中也可以轉化為各種氮氧化合物。這些產物往往不能被很好地處理就被釋放到空氣當中，成為空氣中的污染物。而燃料電池不一樣，燃料電池中的氫氣燃料電池的生成物是綠色產物水，甲醇燃料電池及乙酸燃料電池的生成產物是H2O、CO2，這都不至于產生有毒氣體排放到空氣中。 燃料電池發動機在運行過程中，化學能被安靜地釋放，噪聲小、振動小，散熱系統、熱管理系統也就更加簡單;產出物清潔無污染，也不需要進行凈化和消 聲處理，這樣更容易實現自動化系統管理。

2.3系統復雜性

燃料電池要實現自動化，絕不是一個單單的電池就可以實現的。它工作條件和特性要求決定了它系統的復雜性，不同的工作特性有不同的技術要求。下面以氫氣燃料電池為例做出說明。空氣中的氧氣可以做氧化劑，這是最普遍的，然而空氣里面的一些雜質可以對燃料電池的工作核心催化劑產生副作用，這就需要空氣壓縮及空氣預處理單元。對氫氣而言就更為嚴格。氫氣的儲存既要注意安全性，也要注意比容量的要求。同時反應之后，并不是所有的氫氣都反映完全，這需要重復回收處理單元。有時候由于工作溫度的要求，也許還需要進行適當的散熱處理。下面是一個氫氣燃料電池的系統布置圖（如圖2）。

3燃料電池汽車

盡管燃料電池種類繁多并且及多種優點于一身，但它的技術問題沒有太大的突破性進展，這阻止它走向日常生活當中。在航天工業、潛艇工業等軍工行業中，我們可以不計成本，但民用普及的時候卻不行。目前，在環境問題的困擾中和政府的支持下，燃料電池汽車正在小規模走向市場?；蛟S，在這些剛性需求的帶動下，燃料電池的理論及應用技術都將取得長遠的進步。廣泛應用于電動汽車的燃料電池是一種稱為質子交換膜的燃料電池（PEMFC） ，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經歷熱機過程，不受熱力循環限制，因此能量的轉換效率高，是普通內燃機熱效率的2～3倍。同時，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調整等特性，使得PEMFC非常適合用作交通工具的動力源。

燃料電池汽車的動力系統一般由質子交換膜燃料電池、蓄電池、電機和系統控制設備組成。燃料電池所生成的電能經過DC /DC 轉換器、DC /AC逆變器等的變換， 帶動電機的運轉， 將電能轉變為機械能， 為汽車提供動力。電動汽車的關鍵能源動力技術包括電池技術、電機技術、控制器技術。電池技術、電機技術和控制器技術是電動汽車所特有的技術，這3項技術也是一直制約電動汽車大規模進入市場的關鍵因素。

從全球范圍看，日本和韓國的燃料電池研發水平處于全球領先的地位，像豐田、日產和現代汽車公司，在燃料電池汽車的耐久性、壽命和成本方面逐步超越了美國和歐洲。中國雖然已經完成多次燃料電池汽車的大規模示范運行，但與國外的燃料電池汽車示范運行相比還有不小的差距。

4燃料電池技術展望

燃料電池的諸多優點不再贅述，它的應用前景也顯而易見。在多種技術制約因素當中，以液體為燃料的燃料電池的核心是高性價比的催化劑。對于氫氣燃料電池而言，氫氣的儲存和制備是其核心問題。對于后者而言，存在的是天然的缺陷，如果試圖徹底決解其中的技術問題來獲得較優的綜合性能，只會變得更加復雜。而像甲醇、乙酸等燃料，可以直接從石油、煤、植物、農作物中提取，來源廣泛。同時，像乙酸這種燃料，既是液體又是無毒的，在實際應用當中，既方便又安全，體積比能量也可以達到較高水平。然而，找到高效廉價穩定的催化劑是它走向市場化關鍵性制約因素。現有的Pt基或Pd基合金催化劑，原料稀有價格昂貴，穩定性和壽命都不盡如人意。有關催化劑的理論復雜但也不完善，無法以理論來指導催化劑的合成制備工藝，只能更多地依賴于實驗。生物體內的各種復雜的蛋白酶可以將葡萄糖里面的化學能慢慢轉化釋放出來的原理或許能給我們提供啟發。

參考文獻

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