張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所（河南洛陽 471023）

燃料電池的新進(jìn)展

張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所（河南洛陽 471023）

主要敘述了國內(nèi)外燃料電池的新進(jìn)展,通過分析討論對(duì)國內(nèi)外燃料電池新進(jìn)展有較全面的了解。

燃料電池 研究 進(jìn)展

0 前言

早在160年前人類發(fā)明普通電池時(shí)，燃料電池就已經(jīng)存在。但是，以燃料電池為動(dòng)力的燃料電池汽車，則是近幾年汽車工業(yè)的新發(fā)展。繼火力發(fā)電、原子能發(fā)電之后，燃料電池發(fā)電技術(shù)以其效率高、排放少、質(zhì)量輕、無污染、燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)，正進(jìn)一步引起世界各國的關(guān)注。美國、日本、德國、加拿大等先進(jìn)國家在燃料電池研究方面已走在前面。

1 燃料電池的主要類型

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的主要類型見表1[1]。

表1 燃料電池的分類

2 燃料電池的新進(jìn)展

2.1 美國

美國研究人員開發(fā)出一種不需要使用貴金屬鉑的新型氫燃料電池催化劑，可望解決燃料電池推廣過程中的一個(gè)主要障礙。

據(jù)2011年4月22日出版的美國新一期《科學(xué)》雜志報(bào)道，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的催化劑通過加熱聚苯胺、鐵、鈷鹽生成，幾乎與鉑催化劑一樣有效耐用。通常情況下，由非貴金屬制備的類似催化劑容易在高度酸性情況下降解，但這種新型催化劑卻能保持穩(wěn)定。此外，這種催化劑可以使燃料電池高效完成將氫和氧轉(zhuǎn)化為水的過程，僅產(chǎn)生極少量的過氧化氫。

該論文作者彼得·澤列納伊表示，與鉑相比，新型催化劑的成本極低。研究人員已申請(qǐng)相關(guān)專利。氫燃料電池的工作原理實(shí)際上是個(gè)電化學(xué)過程，為使這個(gè)過程快速和高效，通常需要使用大量貴金屬鉑作為催化劑，然而鉑材料昂貴，而且是稀有資源，因此，氫燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用受到限制[2]。

美國航天局下屬噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室最近宣布，該機(jī)構(gòu)與南加州大學(xué)合作，研制出一種利用液態(tài)甲醇產(chǎn)生電能的電池，與其他燃料電池相比，這種“直接甲醇燃料電池”在發(fā)電時(shí)不需要添加任何燃料，也不排放任何污染物，其發(fā)電副產(chǎn)品為水和二氧化碳，如此生成的電能相對(duì)更清潔。此外，“直接甲醇燃料電池”還具有設(shè)計(jì)簡單和能量密度高等特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)將為進(jìn)一步開發(fā)和推廣清潔能源開辟新途徑。

2011年8月16日，美國能源部（DOE）宣布支持的全球首個(gè)第三代燃料電池和氫能源站在加利福尼亞落成，該項(xiàng)目將為公共交通提供燃料，為工業(yè)設(shè)施提供電力。該燃料電池將熱能、氫和電力系統(tǒng)結(jié)合在一起，同時(shí)產(chǎn)生的氫可以提供電力和熱能，因此稱之為第三代系統(tǒng)。系統(tǒng)產(chǎn)生的氫將運(yùn)送至氫燃料站，并對(duì)公眾服務(wù)，每天可以提供25～50輛燃料電池電動(dòng)汽車燃料充灌。燃料電池同時(shí)還產(chǎn)生250 kW的能量提供給廢水處理工廠使用。這種生產(chǎn)方式大大推動(dòng)了氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而加快了這種可再生能源的使用。DOE可再生能源辦公室主任助理認(rèn)為，該示范項(xiàng)目將引導(dǎo)清潔能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。通過提供附加的電力和熱能，這種方式將推動(dòng)氫燃料補(bǔ)給設(shè)施的發(fā)展[3]。

2.2 日本

為了減緩溫室效應(yīng)、提高能源利用率，以削減列車運(yùn)行能耗為目的，從2000年起東日本鐵路公司的研發(fā)中心一直致力于新能源（NE）列車的開發(fā)。公司自2003年起進(jìn)行柴油機(jī)混合開發(fā)，確立了實(shí)用化目標(biāo)；2006年開始實(shí)施NE列車的第二步計(jì)劃，即世界首創(chuàng)的燃料電池混合式鐵道列車的開發(fā)。

日本的東芝、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、三菱重工、本田、松下電器以及三洋電機(jī)等大型企業(yè)都對(duì)燃料電池的開發(fā)傾注了大量的人力、物力。在汽車用燃料電池的開發(fā)方面競爭最為激烈，首先達(dá)到實(shí)用化水平。也有人認(rèn)為燃料電池在家庭的普及方面同樣具有誘人的前景，如三洋電機(jī)的研究人員就持這樣的觀點(diǎn)。他們的根據(jù)是比起汽車使用的種種嚴(yán)酷條件來，家庭使用的問題要少得多。因而三洋電機(jī)將家庭用燃料電池作為開發(fā)方向。

三洋電機(jī)關(guān)于燃料電池的開發(fā)歷史已接近40年，近10年來側(cè)重固體高分子型（PEFC）產(chǎn)品的研制。2013年3月末三洋對(duì)其開發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)。這是一種使用天然氣的家庭用燃料電池電源系統(tǒng)，其額定輸出功率為1 kW。構(gòu)成該系統(tǒng)的各個(gè)裝置能自動(dòng)控制，僅用一個(gè)按鈕即進(jìn)行起動(dòng)、停止的操作[4]。

新一代家用燃料電池效率高達(dá)87%。日本吉坤日礦日石能源公司最近展示了利用氫能和分散型電源的低碳型能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(已在日本北九州氫能城鎮(zhèn)試驗(yàn)運(yùn)行)及由“能源使用之家”變成“能源創(chuàng)造之家”的ENEOS創(chuàng)能住宅。

創(chuàng)能住宅包括由太陽能發(fā)電和家用燃料電池ENE·FARM組合發(fā)電系統(tǒng)，以及太陽能熱水系統(tǒng)、高效燃油熱水器、高效燃?xì)鉄崴鳌⑿铍姵?、家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）、電熱地暖等。

據(jù)吉坤日礦日石能源公司的人員介紹，新開發(fā)的SOFC型ENE·FARM，液化氣（或天然氣）與水在電池內(nèi)的重整反應(yīng)器中生成氫，然后與空氣中的氧氣在燃料電池堆內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生直流電，通過功率調(diào)節(jié)器（逆變器），提供家用交流電；另外，回收發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能，通過熱交換器，為90 L的家用貯水槽提供非飲用生活熱水。該系統(tǒng)還可抑制二氧化碳的排放量。與以往燃燒化石燃料的能源系統(tǒng)相比，SOFC型ENE·FARM的能源效率最高可達(dá)87%，其中發(fā)電部分45%、供應(yīng)熱水部分42%，額定輸出功率為700W[5]。

2.3 韓國

據(jù)韓國原子力研究院（KAERI）和韓國能源技術(shù)研究院（KIER）2013年5月25日聯(lián)合報(bào)道，經(jīng)雙方共同研究，成功開發(fā)出可提高燃料電池能效的新材料。此次研制成果有兩種：一種為可使固體氧化物燃料電池在低溫狀態(tài)下運(yùn)作的“碳素薄膜銀納米粉末催化劑”；另一種為不僅可大幅縮小甲醇燃料電池（DMFC）體積，而且還能提高能效的“放射線照射高分子燃料電子膜”。

據(jù)介紹，碳素薄膜銀納米粉末可取代用稀有貴金屬制成的催化劑，使SOFC能在650℃的高溫下達(dá)到最大功效；放射線照射高分子燃料電子具有過濾甲醇并只允許氫離子透過的特性，可制作小體積高能效DMFC電池[6]。

韓國在大型固定式電方面的應(yīng)用以及在交通運(yùn)輸、移動(dòng)電話領(lǐng)域的應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)展，并且致力于PEMFC和SOFC的研究，還制訂了韓國燃料電池研發(fā)路線圖。

3 燃料電池開發(fā)應(yīng)用成果

3.1 汽車用燃料電池的開發(fā)成果

代表燃料電池汽車開發(fā)的最新成果有：戴姆勒克萊斯勒公司的NECAR5和Commander2燃料電池汽車、通用汽車公司的氫動(dòng)一號(hào)、福特汽車公司的焦點(diǎn)（Focus）燃料電池汽車、大眾汽車的Bora HyMotion燃料電池汽車。本田、日產(chǎn)、豐田不甘落后，日本豐田汽車公司在RAVA4車型上改裝了分別用甲醇和氫為燃料的燃料電池SUV車，均使用其自行制造的PEM動(dòng)力系統(tǒng)；日產(chǎn)公司與本田公司共同開發(fā)了4座燃料電池車FCXV3；日產(chǎn)公司開發(fā)了燃料電池汽車XTERRA SUV。大宇、現(xiàn)代奮起直追。由此可見，世界發(fā)達(dá)國家正積極發(fā)展燃料電池汽車技術(shù)，并已經(jīng)取得驚人的成果。潔凈燃料汽車的開發(fā)將為解決世界能源危機(jī)和環(huán)保問題提供有效的途徑，燃料電池汽車將是未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)。

目前燃料電池技術(shù)在燃料能源輸送、存儲(chǔ)、價(jià)格等方面還存在巨大障礙，燃料電池汽車要真正從實(shí)驗(yàn)過渡到大規(guī)模普及使用，還面臨一些技術(shù)難題和市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，理想的燃料電池開發(fā)還需要一個(gè)相當(dāng)漫長的過程。但從最新展出的燃料電池概念車中可以發(fā)現(xiàn)其研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，我們有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，駕駛?cè)剂想姵仄嚿下沸旭倢⒉辉偈且粋€(gè)倍受關(guān)注的新聞[7]。

3.2 微生物燃料電池

英國的科學(xué)家研究出了一種微生物燃料電池以及具有自我供給功能的機(jī)器人，使得微生物成為未來一種可持續(xù)能源。

這種樣子笨拙的機(jī)器人可以將任何有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)換成電能供自己使用，人們可以派它去條件惡劣的災(zāi)區(qū)執(zhí)行搜尋幸存者的任務(wù)，由于機(jī)器人會(huì)自動(dòng)利用環(huán)境中的一切有機(jī)物為自己供能，所以不必像使用普通電池那樣擔(dān)心它能量耗盡。

另外，科學(xué)家還研制出一種微生物燃料電池，可以將飛蟲或者老鼠等生物的尸體分解轉(zhuǎn)換成電能供電，但利用自然生物材料是否合適仍然存在爭議。微生物燃料電池應(yīng)用廣泛，如果將它放入污水池中，在清理水質(zhì)的同時(shí)還能發(fā)電，可謂一舉兩得。

微生物燃料電池是一種以微生物為陽極催化劑，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的生物裝置。微生物燃料電池的發(fā)展方向：（1）生物修復(fù)。利用環(huán)境中微生物氧化有機(jī)物產(chǎn)生電能，既可以去除有機(jī)廢物，又可以獲得能量；（2）廢水處理。微生物燃料電池不僅可以凈化水質(zhì)還可以發(fā)電，它的出現(xiàn)有望使污水處理產(chǎn)業(yè)擁有廣闊的發(fā)展前景；（3）生物傳感器。如乳酸傳感器和BOD（生物化學(xué)需氧量）傳感器。

然而，雖然伴隨著人類的發(fā)展，生物能量的內(nèi)涵在不斷革新，且將發(fā)揮重大作用，但它的利用和研究卻仍處于起步階段。依托生物電化學(xué)和生物傳感器的研究進(jìn)展以及對(duì)修飾電極、納米科學(xué)研究的層層深入，微生物燃料電池的研究未來必將得到更快的發(fā)展[8]。

3.3 陶瓷膜燃料電池（CMFC）

陶瓷膜燃料電池是固體氧化物燃料電池的最新發(fā)展階段，能量轉(zhuǎn)化效率高、對(duì)燃料的適應(yīng)性好、操作方便、對(duì)環(huán)境幾乎無污染，是化石和生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化為電能的最佳技術(shù)，將成為分散和固定電源、車船動(dòng)力，最終取代目前的火力發(fā)電，并成為未來氫能社會(huì)的最佳能源技術(shù)之一[9]。

3.4 直接碳燃料電池（DCFC）

直接碳燃料電池是一種按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，而不經(jīng)過煤炭燃燒的發(fā)電裝置。作為一種燃料電池，具有高效、無污染等優(yōu)點(diǎn)。

19世紀(jì)末，William Jacques首先以焦炭作電極、熔融氫氧化鈉作電解質(zhì)，嘗試了DCFC技術(shù)，并在當(dāng)時(shí)引起了公眾的極大關(guān)注。但是在電池的運(yùn)行過程中，由于無法解決碳對(duì)電解質(zhì)的污染等問題，其放電效果并不令人滿意，致使人們對(duì)這一研究的關(guān)注逐漸減弱。直到上世紀(jì)90年代初，隨著電源技術(shù)的發(fā)展及人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，DCFC逐漸又成為燃料電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

作為一種有巨大潛在應(yīng)用前景的新型化學(xué)電源，DCFC的研究正受到越來越多的關(guān)注。但是，DCFC目前尚處在理論研究與實(shí)驗(yàn)室模型初試階段，距離它的商業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走。今后，尋求適用于DCFC的碳形態(tài)、研發(fā)新型催化劑和電解質(zhì)材料、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完善DCFC過程理論等將是DCFC技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[10]。

3.5 直接甲醇燃料電池

據(jù)報(bào)道，中科院長春應(yīng)化所承擔(dān)的國家“863”計(jì)劃課題——直接甲醇燃料電池技術(shù)開發(fā)已在2011年通過了科技部驗(yàn)收，為直接甲醇燃料電池實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化奠定了重要基礎(chǔ)。

該新成果在多方面取得了突破：采用空氣替代純氧氣作氧化劑；實(shí)現(xiàn)純甲醇進(jìn)料，大幅度提高系統(tǒng)比能量；電堆體積比功率增大5倍；尾氣得到有效處理，甲醇含量僅為3.55×10-4mol/L。電堆最大功率達(dá)到375W，運(yùn)行2050 h后，性能衰減l3.27%，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)43.85%。80℃工作時(shí)，單電池最大功率密度達(dá)到了205MW/cm2。

直接甲醇燃料電池是一種將化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能的可再生清潔能源，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、運(yùn)行安全方便、發(fā)電時(shí)間持久等優(yōu)點(diǎn)，特別適合作為筆記本電腦、電動(dòng)自行車等便攜式中小型化電源或充電電源使用，自20世紀(jì)60年代初問世以來，已迅速發(fā)展成為國際高新技術(shù)競爭中的重要熱點(diǎn)之一[11]。

4 結(jié)束語

雖然燃料電池由于目前使用成本仍偏高，利用率較低，但是未來隨著傳統(tǒng)化石燃料短缺、消費(fèi)者環(huán)保需求提升及燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步等因素的刺激，燃料電池將在潔凈電站、電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是小型便攜式產(chǎn)品用直接甲醇燃料電池和車用質(zhì)子交換膜燃料電池將大有作為。汽車用燃料電池的開發(fā)競爭最為激烈，將首先達(dá)到實(shí)用化水平。潔凈燃料汽車的開發(fā)將為解決世界能源危機(jī)和環(huán)保問題提供有效的途徑，燃料電池汽車將是未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)：

[1] 肖國林,陳虹,段宗武.燃料電池技術(shù)在潛艇和海洋工程中的應(yīng)用前景探討[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(12): 102-106.

[2] 美研制出新型氫燃料電池催化劑[J] .現(xiàn)代材料動(dòng)態(tài), 2011(9):23.

[3] 全球首個(gè)第三代燃料電池和氫能源站在美國啟用[Z] .英大網(wǎng),2011-11-18.

[4] 郭志紅.家用燃料電池的開發(fā)[J] .國外科技動(dòng)態(tài),2000, 375(10):5-7.

[5] 新一代家用燃料電池效率高達(dá)87%[J] .功能材料信息, 2011,8(3):62.

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[11] 直接甲醇燃料電池研究取得成果[J] .功能材料,2011, 8(3):39.

New Progress of Fuel Cells

Zhang Wenyyu

Mainly describes the new progress of fuel cells at home and abroad,the purpose is to let readers have a more comprehensive understanding on the new progress of fuel cells through the analysis and discussion.

Fuel cell;Research;Progress

U 473.4

2014年2月

張文毓 女 1968年生 1990年西北工業(yè)大學(xué)畢業(yè) 高級(jí)工程師 主要從事情報(bào)研究工作曾發(fā)表論文50多篇