燃料電池技術應用研究及未來前景展望

伍賽特（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

燃料電池作為最具前景的能源技術之一，具有無污染、高效率等優(yōu)點，在電力電子和相關應用領域應用廣泛。在運行方面，燃料電池類似于傳統(tǒng)蓄電池，但存在一些明顯的物理差別[1]。例如，燃料電池是電化學裝置，即將燃料的化學能直接轉換為電能。傳統(tǒng)蓄電池和燃料電池的主要區(qū)別是燃料電池不像蓄電池使用外部反應物供電[2]。

燃料電池通常以其所消耗的電解質(zhì)進行分類，主要分為磷酸燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）及堿性燃料電池（AFC）等[3]。

1 燃料電池在車用動力裝置領域的應用及前景展望

1.1 車用燃料電池的技術特點

燃料電池具備諸多技術優(yōu)點，如高效率、低污染等，在小型或中型電力設備中具有較高的吸引力。其中，最具前景的領域為汽車工業(yè)。通常認為氫氣是車用燃料電池主要的燃料[4]，但是由于運載工具攜帶氫氣的高危險性，一定程度上限制了其應用。

在新款高檔車型中，已有越來越多的電氣系統(tǒng)取代機械和液壓系統(tǒng)，如電氣輔助動力方向盤、電子伺服技術、主動懸掛及交流電（AC）電力插座等。同時，為了滿足大功率動力需求，需采用高壓電池，如36 V存儲系統(tǒng)。

就目前先進的混合電動汽車（HEV）技術而言，燃料電池可與內(nèi)燃機并行運作以驅動負載[5]。電機通過直流電（DC）電源供電，功率可達到80 kW。DC電源可以是合適容量的蓄電池，也可以是燃料電池。通常采用的直流電壓為300 V或140 V。目前，燃料電池有望取代傳統(tǒng)的蓄電池，成為日后全電汽車的動力來源。

眾所周知，氫氣是燃料電池汽車（FCV）的主要燃料。氫燃料電池汽車的廢氣排放為零，且其蒸發(fā)物也為零污染，主要存在的問題為運輸和存儲。現(xiàn)行較為廣泛的存儲方式為低溫冷卻儲存和壓縮氣體儲存。該類方式帶來了額外的能源要求、安全和空間要求等，并增加了燃料成本。因此，目前氫燃料電池汽車相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的競爭力較為有限。

考慮到上述技術難點，甲醇燃料電池一定程度上也被考慮作為氫燃料電池的有力替代品。甲醇是一類液體燃料，可使用當前較為成熟的運輸系統(tǒng)進行運輸。甲醇燃料電池的一大技術劣勢必須先將甲醇轉化為富氫燃料，從而降低甲醇燃料電池的排放。該過程的花費較高，效率會隨之降低。針對該劣勢，較簡單的解決方案即采用直接甲醇燃料電池汽車。在該類車型中，甲醇在燃料電池板內(nèi)部被氧化，大大節(jié)約了處理工序。該類燃料電池的技術優(yōu)勢為高電流密度和良好的環(huán)境適應能力，符合車用動力裝置的技術要求。盡管直接甲醇燃料電池汽車具備諸多技術優(yōu)勢，但依然存在未反應甲醇從陽極滲透至陰極的反應，從而影響甲醇燃料電池的電壓效率。

除了此類問題，較短的起動時間也是必備條件之一，同時系統(tǒng)成本也應控制在較低水平。目前，大部分高分子膜和催化劑的成本依然居高不下。然而，在總成本降低的同時，依然需保證較高的性能，以便增強燃料電池汽車的未來競爭力。

1.2 燃料電池在大型車輛動力裝置領域的應用及前景展望

目前，燃料電池同樣也在重型車輛上得到了應用。美國和歐洲的高速運輸管理局已推出燃料電池供電汽車。同時，汽車領域大部分采用PEMFC或DMFC。除去這兩類，PAFC也在客車領域得以應用。目前，世界第一輛燃料電池客車已被應用于加拿大的Vancouver市。該試驗車型所應用的燃料電池采用PEMFC，由加拿大Vancouver市的Ballard電力系統(tǒng)公司開發(fā)。燃料電池客車應用于市區(qū)，可有效緩解環(huán)境污染，顯著降低噪聲水平[6]，是應對降低排放的發(fā)展趨勢。國外諸多城市已開始選擇采用壓縮天然氣（CNG）燃料客車。

類似客車或者貨車等重型車輛應用于城市運輸過程中，排放標準是首先需要考慮的問題[7]。此類標準會依據(jù)發(fā)動機排放現(xiàn)狀進行制定，通常對NOx、CO及顆粒物等作出限定。為實現(xiàn)對排放物的控制，目前的客車可采用混合動力形式實現(xiàn)。典型的柴電混合動力汽車燃料經(jīng)濟性比傳統(tǒng)的柴油車和CNG車更高。當采用燃料電池取代柴油機時，燃料經(jīng)濟性優(yōu)勢將大幅提升，這是氫燃料的直接氧化帶來的優(yōu)勢。但是，由于氫燃料儲存和運輸方面的技術劣勢，因此在客車領域，DMFC依然有較好的應用前景。隨著氫燃料的簡易運輸和儲存技術的不斷完善，氫燃料電池的應用前景將會被日益看好。

以燃料電池汽車為代表的零排放運載工具，比傳統(tǒng)燃料的載運工具具有更明顯的排放優(yōu)勢。長期以來，蓄電池一直作為滿足零排放需求的最佳選擇，而燃料電池技術近年來才得到了大部分汽車制造商的關注。究其原因，在于歷史上儲存足夠能量的蓄電池通常成本較高，限制了其在汽車動力裝置領域的發(fā)展，而燃料電池汽車在運行時的噪聲水平更低，并且無有害氣體排放。目前，PEMFC在過去數(shù)年間已得到大幅提高，性能已接近傳統(tǒng)汽車，且在較寬的功率密度范圍內(nèi)效率較為可觀。

由于燃料電池的高能量密度與蓄電池電動汽車的一體化，可預見燃料電池混合動力汽車將會得到更廣泛的關注。目前，美國、歐洲和日本主要關注燃料電池汽車等方面的測試問題。在未來，燃料電池的材料成本、配件成本及燃料電池技術的成本均會進一步降低，同時使用燃料電池的混合動力汽車將會逐步進入市場。21世紀，將會見證燃料電池汽車系統(tǒng)的逐步完善及投入使用，并將大幅改觀現(xiàn)有的公路運輸系統(tǒng)，對環(huán)境也更為友好[8]。

2 燃料電池在飛行器領域的應用

2.1 燃料電池在航天器領域的應用

對于長距離運輸領域而言，氫能的能量儲存和轉化環(huán)節(jié)較為重要。燃料電池在航天領域已受到廣泛關注，被認為最適合應用于該領域的燃料電池技術為AFC。AFC效率較高且重量輕小，適合于長距離空間運輸任務。相比于蓄電池，AFC功率密度更高，能量儲存能力更強。

擁有靜止電解液的AFC被認為是航天飛機供電的最佳選擇之一。該類技術已由美國NASA研發(fā)成功。AFC的靜止電解液可利用毛細管固定在特定位置，同時采用特殊的高分子膜技術實現(xiàn)了進水和脫水。

近年來，PEMFC在航天器中的應用被認為比AFC具備更廣泛的優(yōu)勢。NASA正考慮用PEMFC取代現(xiàn)有燃料電池項目中的AFC。結果表明，PEMFC的使用顯著降低了生命周期成本，同時PEMFC的使用壽命相對更長（大約10 000 h）。PEMFC單元的功率密度更高，可獲得相比AFC單元高達1.5倍的能量。此外，PEMFC的系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性也更高，可顯著降低動力裝置的使用周期成本。同時，PEMFC的使用提高了航天任務的輕便性。

PEMFC的設計階段需考慮一些較為重要的問題，如一些與安全、維護、替代成本及整體性能相關的問題。同時，PEMFC電站需與其他飛行器項目協(xié)調(diào)運作并且兼容。

PEMFC在航天領域的應用具有使用壽命長、基建費用低及生命周期成本低等優(yōu)勢，目前主要技術發(fā)展方向為PEMFC高分子膜結構技術，同時避免了使用AFC包含腐蝕性的堿性溶液。

通常，在低電流密度的情況下，AFC的性能比PEMFC更好。在高電流密度情況下，PEMFC的性能總體更為優(yōu)越，這主要由于電池電壓更低。事實上，在高電流密度上，PEMF總體超越了AFC。從以往研究來看，在航天電力領域，PEMFC相比AFC具有更明顯的優(yōu)勢。

2.2 燃料電池在航空器領域的應用

燃料電池還可用作太陽能飛行器的理想動力來源[9]，需解決的問題是夜間飛行器的供電問題。在白天，由太陽能電池板驅動電機；在夜間，燃料電池系統(tǒng)則可提供必需的推進動力。飛行器通常會飛行在超過50 000 ft的高空，因此要求燃料電池的重量較為輕小，需具備超過60%的高效率。

燃料電池還可對高空氣球供電。高空氣球可用于在大氣層中收集地球、太陽及其他科學研究所必需的信息。早期，通過蓄電池對高空氣球供電，功率范圍100～200 W。然而，未來的研究進程則需要其具備更高的功率，可能會達到5 kW的功率需求。在該功率范圍內(nèi)，蓄電池的重量較大，與高空氣球的技術需求相悖。因此，目前考慮采用PEMFC取代蓄電池應用于該領域，且要求能承受溫度的較大波動，通常在-50～100 ℃。

3 燃料電池在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應用

3.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)用燃料電池的技術特點

隨著電力傳輸和配電成本的提高，電力公司目前正在考慮選擇現(xiàn)場發(fā)電和分布式發(fā)電，其中較為可行的選擇是采用燃料電池。進一步研究表明，燃料電池的使用提升了整體系統(tǒng)效率。由于燃料電池無排放，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染[10]。

燃料電池通過電力電子轉換器接入電網(wǎng)。該系統(tǒng)通常使用天然氣，在大部分負荷地區(qū)都可獲取。它的發(fā)電單元產(chǎn)生的廢熱可以重新回收，是分布式發(fā)電最具前景的原因之一。

由于采用燃料電池廢熱驅動燃氣輪機，進一步提升了整體效率。在該混合系統(tǒng)中，將燃料電池廢氣供給渦輪發(fā)電機單元，渦輪發(fā)電機組的功率一般可達15 MW。如果用于熱電聯(lián)產(chǎn)，采用SOFC更有優(yōu)勢。選擇SOFC的主要原因是其具有較高的運行溫度，由此獲得的廢氣質(zhì)量也會更高。

SOFC、PAFC、MCFC及PEMFC是最常見的燃料電池，其中SOFC是目前熱電聯(lián)產(chǎn)領域最合適的選擇。燃料電池的運行溫度越高，燃料處理系統(tǒng)也愈發(fā)簡單。

天然氣行業(yè)通常選用PAFC作為小型熱電聯(lián)產(chǎn)應用，電力公司也將該類燃料電池作為大容量電站之用。此類燃料電池的使用壽命遠高于常規(guī)發(fā)電機的電力系統(tǒng)，同時被考慮應用于整個地區(qū)的供暖和制冷。

相比PAFC，MCFC的使用可獲得更高的效率。然而，MCFC相關技術仍有待于改善，因此目前尚未用于商業(yè)化。一旦該類燃料電池的成本有所降低，MCFC可獲得更廣泛的應用。

同時，PEMFC也是用于分布式發(fā)電裝置的有力競爭者，為住房建筑的最好選擇。采用PEMFC用于分布式發(fā)電，所產(chǎn)生電能可用作后備電源或者峰值電源。目前，正在研究如何降低該類系統(tǒng)的整體成本，從而使其取代現(xiàn)有技術以應用于分布式發(fā)電裝置。

3.2 燃料電池在建筑領域的應用

住房和商用建筑采用基于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，主要優(yōu)勢是節(jié)能。這些應用一般可滿足建筑的電氣和供暖負載要求。通過使用該類系統(tǒng)提供電力和熱能，可顯著提高建筑的能量使用率，因此可以顯著降低建筑的總體能源消耗。同時，用于建筑物供暖和制冷的傳統(tǒng)設備與燃料電池系統(tǒng)的有機結合，將會形成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

一般而言，PEMFC被認為是供給建筑電力負荷和熱負荷的最佳選擇。目前，大部分建筑電氣項目方面的努力均集中在商用建筑而非住房建筑。即使如此，依然有部分正在實施的項目采用該類技術對住房建筑供電。

總體上，PEMFC由于其成本低、體積輕小，非常適合于建筑物發(fā)電裝置。然而，除了燃料電池，系統(tǒng)也會包含一些蓄電池組。該類蓄電池組通常包括鉛酸電池，以提供峰值功率。

4 燃料電池在便攜式設備領域的應用

4.1 便攜式燃料電池的技術特點

燃料電池用于便攜式設備時，和固定電源之間存在顯著區(qū)別。便攜式電源要求體積輕小并便于移動，必須具備高能量密度。而擁有幾百瓦輸出的電源設計，需滿足便攜、使用壽命長、啟動快、成本低及安全等要求。

當考慮到與外界設備的協(xié)調(diào)工作時，電源需在各種環(huán)境下工作。另外，需具備低噪聲且不排放有害氣體如NOx和SOx，具有較高的可靠性。

在過去數(shù)年間，由于戶外裝置的增加，致使對便攜式電源的需求量大幅增加。燃料電池為戶外便攜式裝置提供了較好的解決方案。相關燃料電池的應用較為廣泛的領域，可包括收音機、手機及便攜式軍事設備和系統(tǒng)。

4.2 燃料電池在后備電源領域的應用

傳統(tǒng)的后備電源通常使用不間斷電源系統(tǒng)（UPS）對負載進行持續(xù)供電。發(fā)電機組的輸出波形通常會發(fā)生畸變，而通過UPS對負載供電，電壓質(zhì)量會有所提升。

在使用燃料電池作為后備電源的系統(tǒng)中，燃料電池取代了發(fā)電機組。此類系統(tǒng)的效率較高，且燃料電池的輸出電壓可直接與負載相連，無需通過UPS進行轉換，可有效節(jié)約電力。

4.3 燃料電池在小型便攜式電源領域的應用

在小型便攜式電源中，由于蓄電池需要經(jīng)常更換且成本較高，目前正考慮使用DMFC取代蓄電池，如收音機或手機。為了使燃料電池成功取代充電電池，燃料電池系統(tǒng)需滿足結構緊湊，且可在小功率范圍內(nèi)運行。因此，燃料電池的最佳選擇為DMFC。

基于DMFC系統(tǒng)便攜式收音機的物理結構較為簡單。在該應用中，使用重力取代泵送系統(tǒng)對燃料電池提供燃料。收音機的主要隔室是儲存甲醇的容器，易于拆解。收音機的開關同時控制連接甲醇容器的真空管道。空氣通過收音機后部的小入口進入。

手機采用的蓄電池充電設備也可考慮采用燃料電池。然而，技術方面的相關問題如燃料電池效率、燃料電池配置和材料成本等，都需要在燃料電池系統(tǒng)商業(yè)化前進行考慮和測試。

4.4 燃料電池在移動電源領域的應用

移動電源領域通常要求電源具有快速起動性和高頻起動的特點，且必須同時滿足低噪聲、高效率及低排放等要求。由于燃料電池可用于現(xiàn)場發(fā)電，因此可有效降低電力的傳輸成本，提升系統(tǒng)整體效率。同時，該類電源在軌道車輛動力裝置方面具有較大需求[11]，也可用于機載電子設備的電源。

4.5 燃料電池在軍事電源領域的應用

通常，軍事領域的應用要求電源具有大功率和高能量密度的特點。過去廣泛應用的充電蓄電池重量較大、壽命較短，而先進的軍事電源要求低成本、輕重量、小型化、可承受較強振動、高可靠性及可維護性[12]。

燃料電池相比蓄電池最主要的優(yōu)勢是，擁有高能量密度和較長的使用壽命，同時系統(tǒng)的每個單元也相對較低。除了相關優(yōu)點，PEMFC系統(tǒng)結構緊湊，可承受軍事任務中較為惡劣的操作環(huán)境。燃料電池在軍事領域中主要應用在戰(zhàn)術領域，如指揮、照明、無線電和其他設備等。其他一些領域可包括功率傳感器、小型操作器等。

5 燃料電池在水下移動設備中的應用

5.1 燃料電池在水下載運工具中的應用

對于水下載運工具而言，燃料電池提供了優(yōu)于蓄電池的解決方案。由于該類電源具有低噪聲、高效率且易于添加燃料，應用于該類領域的PEMFC系統(tǒng)已得以開發(fā)，通常功率范圍在20～30 kW。該類電源裝置包括流體處理單元、熱管理單元和控制單元。

需考慮的問題是它的安全性、效率、可靠性、耐久性及抗振性，以及對該類裝置的測試，以確保其具備越有5 000 h的運行時間。該類裝置的運行溫度約為200 F，為此需保證PEMFC的高分子膜處于水飽和狀態(tài)，因為高分子膜長期處于干燥狀態(tài)較為危險。

反應物儲存的安全性，如氫氣是一大挑戰(zhàn)。現(xiàn)行的方法是不斷提升儲蓄罐的壓力，然而該過程安全性有待提升，且為了滿足高壓需求要布設諸多附加設備。此外，低溫儲存和可逆金屬氰化物也可實現(xiàn)該目的。目前，化學氫氣儲存方法已被視作未來儲存氫氣的方法之一。如果該技術獲得成功，可提供8～10倍于蓄電池的能量密度。

5.2 燃料電池在潛艇動力裝置領域中的應用

燃料電池同樣可用于軍用潛艇。該領域通常采用柴油機發(fā)電機組作為動力裝置[13-15]。但是，柴油發(fā)電機組具有效率低下、運行期間噪聲較大的弊端，還會釋放高溫燃氣，對潛艇的隱蔽性會產(chǎn)生巨大的負面影響。目前，以美國海軍為代表的研發(fā)團體已將燃料電池作為重點關注對象，但其系統(tǒng)重量、可靠性、可維護性及水處理系統(tǒng)尚有待解決。

6 燃料電池在醫(yī)療設備領域中的應用

燃料電池的一個較有趣應用是醫(yī)療設備及配置。目前，科學家發(fā)明了用于醫(yī)學領域的微型甲醇燃料電池。該類設備可被植入人類體內(nèi)，如腦脊液泵分流和微胰島素泵。醫(yī)學領域中，燃料電池的應用通常要求小體積、生產(chǎn)簡便、運行潔凈、高效率及不產(chǎn)生危害材料等。

7 結 論

作為最具前景的能源技術之一，燃料電池的技術優(yōu)勢已日漸凸顯。該項技術既經(jīng)濟又靈活，有效滿足了市場需求，特別是分布式發(fā)電領域的需求。分布式發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)促進了燃料電池在電力系統(tǒng)中的應用，而燃料電池的應用則提高了分布式發(fā)電的效率與靈活性。近年來，環(huán)境污染問題得到了廣泛關注，汽車排放與該類問題密切相關，而燃料電池在提高汽車電力系統(tǒng)的兼容性方面具有顯著功效。因此，在公路運輸領域，燃料電池的應用日漸廣泛。簡言之，不同類型的燃料電池應用于不同領域有著不同的性質(zhì)和特點，應依據(jù)具體問題選擇最適合的燃料電池系統(tǒng)，以滿足負載需求。隨著燃料電池技術的不斷完善及成本的不斷降低，燃料電池將會得到更廣泛的應用。