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燃料電池距我們有多遠(yuǎn)？
摘要：目前，燃料電池是全球能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。介紹了燃料電池的原理、分類、特點(diǎn)及研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，燃料電池作為新的清潔能源應(yīng)用前景廣闊，但目前仍處于研發(fā)和示范階段，距廣泛商業(yè)化階段還有相當(dāng)?shù)木嚯x。關(guān)鍵詞：燃料電池；分類；研究；應(yīng)用現(xiàn)狀
引言
國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，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(AlkalineFuelCells—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(guó)燃料電池開發(fā)中，卻無法成為主要開發(fā)對(duì)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(duì)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 FuelCells—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(duì)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 FuelCells—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。
2.7 再生型燃料電池（Regenerative FuelCells—RFC）
再生型燃料電池的概念相對(duì)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(guó)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(zhǎng)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MetallicPower和PowerZinc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 FuelCells—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 InternationalInc.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(guó)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(chǎng)和電廠等提供基本的和備用的電力供應(yīng)。
美國(guó)是研究燃料電池最早的國(guó)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(zhǎng)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(chǎng)發(fā)電電池系統(tǒng)。
歐洲各國(guó)燃料電池開發(fā)較美國(guó)、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(guó)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(guó)、西班牙等國(guó)分別完成10kW、100kW、280kW級(jí)碳酸鹽型電池的開發(fā)，德國(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)仍處于培育階段。專家們預(yù)測(cè)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(jìng)爭(zhēng)也在激烈地進(jìn)行。
我國(guó)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?cè)趬A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(guó)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(guó)三星公司、南孚電池公司建立了合作實(shí)驗(yàn)室。目前，中國(guó)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。
表16 種燃料電池的應(yīng)用及技術(shù)狀態(tài)
電池種類
可用燃料
應(yīng)用
技術(shù)狀態(tài)
質(zhì)子膜
氫氣、重整氣
電動(dòng)車、潛艇電源
研發(fā)、改進(jìn)、已有商業(yè)化產(chǎn)品
磷酸鹽
重整氣
現(xiàn)場(chǎng)集成能量系統(tǒng)
已有商業(yè)化產(chǎn)品
熔融碳酸鹽
凈化煤氣、天然氣、重整氣
電站、區(qū)域性供電
在日本和意大利有示范電站
固體氧化膜
凈化煤氣、天然氣
電站、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電
示范、測(cè)試
堿性
純氫氣
航天、空間站
在航空航天領(lǐng)域長(zhǎng)期應(yīng)用
直接甲醇
甲醇、乙醇
移動(dòng)電源
研發(fā)
4 結(jié)語
由于燃料電池的成本居高不下，目前仍處于研發(fā)和示范應(yīng)用階段，但它在能源貯備、供應(yīng)方面的安全、可靠、高效率、無污染等特性和廣闊的應(yīng)用前景，使得全世界都在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行著研發(fā)競(jìng)賽。
燃料電池領(lǐng)域的研發(fā)是一個(gè)很大的系統(tǒng)工程，涉及材料、元件、研發(fā)、制造、集成應(yīng)用、分銷和終端用戶等各個(gè)方面，因此“官、產(chǎn)、研”結(jié)合是該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)顯著特征，也是必由之路。我們也充分意識(shí)到燃料電池，這個(gè)屬于能源基礎(chǔ)行業(yè)中的高新技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化的難度。這個(gè)過程將經(jīng)歷3個(gè)階段：注重技術(shù)水平的成果階段；注重實(shí)用化的產(chǎn)品階段；注重銷售價(jià)格/生產(chǎn)成本的商品階段。
2004年5月，由中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)和國(guó)際氫能協(xié)會(huì)主辦的第二屆國(guó)際氫能論壇（The2ndInternationalHydrogenEnergyForum）在北京人民大會(huì)堂隆重開幕，顯示了中國(guó)政府對(duì)該領(lǐng)域的重視和支持。我們渴望燃料電池成為人類新的清潔能源，為改善人類的生存環(huán)境做出貢獻(xiàn)。
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