燃料电池技术及其发展前景

燃料电池作为一种高效、洁净的能源转化装置，得到了各国的重视和青睐。本文介绍了燃料电池的工作原理、分类、广泛的应用及其良好的发展前景。

关键词：燃料电池  应用  发展前景

引言

传统的能源利用方式有两大弊病：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。燃料电池(Fuel Cell)是是一种高效、环境友好的新能源发电装置，可将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。

一、燃料电池工作原理与分类

1.分类

目前，燃料电池按电解质划分已有4个种类得到了发展，即磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）、固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）、固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）。

按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K(100℃)的为常温燃料电池，如SPFC；工作温度在373K(100℃)～573K(300℃)之间的为中温燃料电池，如PAFC；工作温度在873K(600℃)以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC。

2. 工作原理

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料氢（或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。

下面简单介绍以上几种燃料电池的基本原理：

（1）磷酸型燃料电池（PAFC）

这种燃料电池所需燃料氢由煤气、天燃气或甲醇重整制取，由多孔质石墨构成电极，工作温度在200℃左右，磷酸为电解质，常用铂作催化剂。

（2）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

这种燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 该燃料电池是一种高温电池（600～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。

（3）固体氧化物燃料电池（SOFC）

这种燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2 S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。

（4）质子交换膜燃料电池（PEMFC）

这种燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。

二、燃料电池的应用

1.航空航天

早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质高效的动力源一直是美国航天技术的首选。下表列出了燃料电池航天应用中的几个典型案例：

美国航天飞机载有3个额定功率为12kw的碱性燃料电池，每个电堆包含96 节单电池，输出电压为28V，效率超过70%。单个电堆可以独立工作，确保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电池产生的水可以供航天员饮用。从1981年首次飞行直至2011 年航天飞机宣布退役，在30年期间里燃料电池累积运行了10100h ，可靠性达到99% 以上。

2.潜艇

FC-AIP潜艇具有续航时间长、安静/隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周    。这种潜艇用燃料电池是由西门子公司制造，采用镀金金属双极板。燃料电池模块额定工况下效率接近60%。

3.燃料电池示范

（1）电动汽车

随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境能源问题的可行方案之一。

近年来，燃料电池汽车在性能、寿命、与成本方面均取得一定的突破。在性能方面，美国公司的燃料电池发动机体积比功率已与传统的四缸内燃机相当，德 国Daimler公司通过3辆B型Mercedes-Benz燃料电池轿车的环球旅行向世人展示了燃料电池汽车的可使用性，其续驶里程、最高时速、加速性能等已与传统汽油车相当，计划2014年开始实施批量生产；在寿命方面，美国UTC Power公司的燃料电池客车至2011年8月已经累积运行了10000h，寿命指标已达到商

业化目标；在成本方面，各大汽车公司都致力于降低燃料电池Pt用量，经过不断地技术改进，美国GM公司一台94kw的发动机，Pt用量从上一代的80g降低到30g。

（2）燃料电池固定式分散电站

污染重能效低一直是困扰火力发电的核心问题，燃料电池作为低碳减排的清洁发电技，术受到国内外的普遍重视。燃料电池电站不同于燃料电池汽车，没有频繁启动问题。四种燃料电池技术均被应用于电站发电中。

（3）备用电源与家庭电源

燃料电池作为不间断备用电源，具有高密度、高效率、长待时及环境友好等特点，可以为电信银行等重要部门或偏远地区提供环保型电源。

（4）燃料电池可移动电源充电器

燃料电池作为小型可移动电源或二次电池的充电器，也是目前研发的热点。主要技术基础是采用直接甲醇燃料电池，即以甲醇为燃料，这种液体燃料具有携带方便、比能量高等特点。直接甲醇燃料电池初期是瞄准手机笔记本电脑电源市场，旨在提供长待时电池，但由于在系统管理小型化等技术方面还有待突破，近期人们又把目光集中到了充电器市场。

三、燃料电池发展前景

在当今全球能源紧张、油价波动的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。氢能的优势明显，清洁、高效，得到各国政府的大力支持，加上能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。

尽管现在燃料电池的市场需求有限，但发展前景值得看好。预计2012-2016年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。现在对于便携式燃料电池的需求相当少，但便携式燃料电池市场将会是未来增长最快的市场。