燃料電池的發(fā)展與應(yīng)用

常雪嵩 周 瑤 田 萌 李連豹 韋 虹 李雙清 李 軍 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

引言

燃料電池是一種新型的發(fā)電裝置，可以儲存在燃料和氧化劑中，有效地轉(zhuǎn)化為電能，F(xiàn)C是一種新的發(fā)電設(shè)備和車用動力，沒有噪聲，沒有污染，功率高，規(guī)模大和效率高[1]。燃料電池作為一種環(huán)保的新能源，科研人員已逐漸重視對燃料電池的研究，也取得了一些進展[2-3]。

1 燃料電池國外與國內(nèi)發(fā)展概況

燃料電池是一種在能量轉(zhuǎn)化過程中可以降低能源損失的發(fā)電設(shè)備，這也是上個世紀人們一直致力于生產(chǎn)研究的原因。氫氣與氧氣反應(yīng)可以發(fā)電是由一個英國人W.Grove，在1839年提出的。受當時各種條件的限制，這一發(fā)現(xiàn)并沒有得到廣泛的研究與重視。1965年8月，第一個離子交換膜電池是由美國的科學(xué)家開發(fā)的，用作航天飛機的主要能源來源。目前，世界上許多國家正在認真考慮燃料電池發(fā)電技術(shù)。美國和日本是世界燃料電池研究的領(lǐng)導(dǎo)者。2 MW、4.5 MW和11 MW燃料電池的發(fā)電裝置已進行生產(chǎn)，燃料電池的發(fā)展已在世界上形成了熱潮[4-6]。

1958年我國才開始對燃料電池進行研究，那個時候的人們對燃料電池的推廣熱情非高，但不久就停了下來。在20世紀70年代早期，在航天計劃的帶領(lǐng)下，中國的FC研究如火如荼地進行。武漢大學(xué)、原電子部天津電力供應(yīng)研究所、中國科學(xué)院大華研究所等單位開發(fā)了堿性燃料電池（AFC），取得了一定的成效。后來，由于航天計劃的改變，F(xiàn)C研究基本上被暫停。我國形成燃料電池的第二次發(fā)展浪潮是在20世紀90年代，那時由于我國面對兩方面壓力：環(huán)保和能源，并且世界上也對燃料電池取得了一定的成果。目前，中國的燃料電池主要包括固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、生物燃料電池（BFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等[7]。

2 燃料電池的優(yōu)點

FC主要優(yōu)點包括：

1）高能量轉(zhuǎn)化率，電能轉(zhuǎn)換效率達到40%～60%，無論在各種工況下運行，無論設(shè)備大小都有高的電效率；

2）燃料多樣性，通過與燃料供給裝置組合可以適用的燃料廣泛，節(jié)約石油等不可再生能源；

3）負荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高，具有很強的過載能力；

4）比用天然氣和煤氣等為燃料時，NOx和SOx等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)；

5）施工周期短，電站占地面積小，安裝地點靈活。根據(jù)需求，電池堆可以代替電站的電力。

3 燃料電池工作原理及類型

燃料電池有兩個電極，分別是由正極和負極（燃料電極是負極而氧化劑電極是正極）以及電解質(zhì)組成。氫-氧燃料電池反應(yīng)是電解水的逆過程：

圖1為氫燃料電池工作原理示意圖。

目前主要的燃料電池類型有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、堿性燃料電池（AFC）。每種燃料電池主要性能特征如下：

圖1 氫燃料電池原理圖

1）AFC（堿性燃料電池）

電解質(zhì)：氫氧化鉀溶液；

工作溫度：室溫～90℃；

電化學(xué)效率：60%～70%；

燃料、氧化劑：氫氣、氧氣；

功率輸出：300 W～5 kW。

2）PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）

電解質(zhì)：質(zhì)子交換膜；

工作溫度：室溫～80℃；

電化學(xué)效率：40%～60%；

燃料、氧化劑：氫氣、氧氣（或空氣）；

功率輸出：1kW。

3）PAFC（磷酸燃料電池）

電解質(zhì)：磷酸；

工作溫度：160～220℃；

電化學(xué)效率：55%；

燃料、氧化劑：天然氣、沼氣、雙氧水、空氣。

功率輸出：200 kW。

4）MCFC（熔融碳酸鹽燃料電池）

電解質(zhì)：堿金屬碳酸鹽熔融混合物

工作溫度：620～660℃；

電化學(xué)效率：65%；

燃料、氧化劑：天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣；

功率輸出：2 000～10 000 kW。

5）SOFC（固體氧化物燃料電池）

電解質(zhì)：氧離子導(dǎo)電陶瓷；

工作溫度：800～1 000℃；

電化學(xué)效率：60%～65%；

燃料、氧化劑：天然氣、沼氣、煤氣、雙氧水、空氣；

功率輸出：100 kW。

4 燃料電池的應(yīng)用

4.1 燃料電池汽車

燃料電池汽車（FCV）是一種由車載燃料電池驅(qū)動的電力汽車。車載燃料電池裝置中使用的燃料是高度純氫或含氫燃料，這些燃料是通過改造獲得的。與傳統(tǒng)的電動汽車相比，F(xiàn)CV的動力來自車載燃料電池設(shè)備，而電動汽車的動力來自于通過電網(wǎng)充電的蓄電池。因此，F(xiàn)CV的關(guān)鍵是燃料電池。在空氣中氧氣與氫氣進行氧化還原反應(yīng)，在催化劑的作用下使電子與離子發(fā)生分解，形成電流，使汽車電機運轉(zhuǎn)，這就驅(qū)動了汽車。甲醇、天然氣和汽油也可以取代氫，但會產(chǎn)生很少的二氧化碳和氮氧化物。目前應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的多數(shù)為質(zhì)子交換膜燃料電池，電子通過外電路才能到達陰極，氫離子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極。當電子通過外電路向陰極流動時就產(chǎn)生直流電了。反應(yīng)分子式為：

圖2為質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)原理圖。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)原理圖

4.2 燃料電池汽車的特點

燃料電池汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，在結(jié)構(gòu)和功率傳輸方面都有所不同，這樣一來，就為汽車的整體設(shè)計提出了新的要求。傳統(tǒng)燃油發(fā)動機和傳動動力系統(tǒng)不再存在于燃料電池汽車中，而是被燃料電池反應(yīng)堆，電動機，DC/DC轉(zhuǎn)換器，電池，氫氣罐和其他裝置所取代。懸架和剎車系統(tǒng)都會作出相應(yīng)改變。所以，從燃料電池汽車的特點出發(fā)，在設(shè)計時應(yīng)該進行相應(yīng)的變化。

燃料電池汽車具有以下特點：

1）能量轉(zhuǎn)化效率高：燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率為內(nèi)燃機的2～3倍；

2）零排放，不污染環(huán)境：燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水；

3）氫燃料來源廣泛，可以從可再生能源獲得，不依賴石油燃料；

4）運行平穩(wěn)，無噪聲；

5）對比鋰電池，燃料電池可以保留人們的駕駛習(xí)慣，它解決了鋰電池的續(xù)航能力和快速補能問題；

6）在低溫啟動，能量回收技術(shù)及循環(huán)壽命上，燃料電池汽車也接近于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的性能。

5 燃料電池與鋰電池的比較

5.1 能量密度比較

鋰電池作為一種蓄電池，它是一個密封的系統(tǒng)。鋰電池只是能量的載體，要想運行，就要先充電。電極材料的能量密度直接影響鋰電池的能量密度。鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素，即使是純鋰電極，其能量密度也只有燃料電池的1/120，而商業(yè)化的技術(shù)難題非常大，以至于幾十年來沒有突破性的進展。

5.2 功率密度比較

燃料電池作為一個開放的動力系統(tǒng)，有著相對穩(wěn)定的輸出功率，要提高放電功率就要增加一個動力電池系統(tǒng)。然而能量儲存的問題是不需要額外電池考慮的，對電池壽命沒有過高要求，在真實工況下的使用限制很少。

鋰電池理論上的放電效率很高，為了保護電池壽命，使用限制是很大的。作為一個低能量密度、高功率放電和高續(xù)航里程的封閉能量存儲系統(tǒng)，除非電池的重量大大增加，否則很難兼容。

5.3 體積能量密度、節(jié)能環(huán)保比較

筆者將2 L汽油車與對應(yīng)的45度鋰電池車和輸出功率100 kW燃料電池汽車作了分析，將體積能量密度和節(jié)能環(huán)保比較，如表1、表2所示。

表1 體積能量密度

表2 節(jié)能環(huán)保

5.4 安全性比較

鋰電池：封閉的能量系統(tǒng)，原則上高能量密度和安全性是很難兼容的，輕微碰撞及易著火，由于它是固體，在大氣中很難上升，燃燒在車艙的底部，車輛會很快著火，被報廢。其中三元電池能量密度高，不耐高溫，250～350℃就會分解，安全性差，需要復(fù)雜的電池保護設(shè)備。

燃料電池：該存儲裝置是由碳纖維制成，在多角度碰撞測試中，以80 km/h的速度碰撞完全不受損壞。氫氣密度小，當它著火時，系統(tǒng)溢出的氫氣會迅速上升，保護汽車和乘客。

6 結(jié)束語

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，燃料電池已經(jīng)在世界各地逐漸被應(yīng)用，尤其是在汽車工業(yè)發(fā)展相當迅速。各國政府大力推廣燃料電池相關(guān)示范項目，從機場擺渡車輛到城市公交車，再到家庭用車。燃料電池汽車的研發(fā)工作穩(wěn)步推進，全球汽車公司已進入產(chǎn)業(yè)化燃料電池汽車的準備階段，燃料電池汽車已在2015年進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。目前，我國車載燃料電池的研究仍落后于國際先進水平，受限于使用壽命、成本和性能，中國的燃料電池汽車仍處于汽車性能改進和小規(guī)模應(yīng)用的階段。今后，中國應(yīng)大力推進燃料電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，著力解決壽命、成本、性能三大問題，建立低碳、低排放、不依賴化石能源的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)新體系。