周偉 朱浩燕

【摘要】沼氣發(fā)電以其低排放、低污染、節(jié)約能源、廢物資源再利用等優(yōu)點(diǎn)而倍受各國政府的關(guān)注。開發(fā)沼氣發(fā)電技術(shù)，尤其是沼氣燃料電池技術(shù)，已經(jīng)成為節(jié)能減排建設(shè)綠色環(huán)保工程的一項(xiàng)重要措施。沼氣燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。本文首先綜述了車用燃料的發(fā)展以及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)汽油與燃料電池的不同特點(diǎn)進(jìn)行了比較，簡單分析了當(dāng)前燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，其中對(duì)沼氣燃料電池的工作原理進(jìn)行認(rèn)真分析，同時(shí)也對(duì)其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景進(jìn)行了概括總結(jié)。最后得出結(jié)論，沼氣燃料電池將是常規(guī)能源的優(yōu)良替代品，其中沼氣燃料電池用于燃料電池汽車具有非常廣闊的應(yīng)用前景，將會(huì)為人類的環(huán)保節(jié)能貢獻(xiàn)一份力量。

【關(guān)鍵詞】新能源;沼氣燃料電池;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

能源是人類文明發(fā)展的原動(dòng)力，能源也是衡量一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活的重要指標(biāo)。21世紀(jì)將是能源與環(huán)保的世紀(jì)。在這個(gè)世紀(jì)，有世界上三大能源之稱的石油、天然氣和煤等石化燃料即將被耗盡，同時(shí)由于這些燃料的低效“燃燒”使用，既浪費(fèi)了資源，也造成了環(huán)境嚴(yán)重污染，給人類帶來了眾多災(zāi)難。據(jù)專家預(yù)測，到2100年全球平均氣溫也將至少升高0.5℃，海平面將上升11厘米以上，到2400年，已存在于大氣中的溫室氣體成分及不斷新排放的溫室氣體，又將導(dǎo)致全球平均氣溫額外升高2至6℃。這兩個(gè)因素還會(huì)分別引起海平面每世紀(jì)上升10厘米和25厘米。因此，人們開始反思自己的行為，精心探索新能源，例如各種燃料電池的發(fā)展和電動(dòng)汽車的研制成功，都是人類智慧的結(jié)晶。其中沼氣燃料電池作為新能源的一種，它具有能量轉(zhuǎn)化率高，環(huán)保，壽命長等特點(diǎn)，所以目前已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是還沒有普及，因而存在著巨大的潛力。

一、燃料電池汽車的特點(diǎn)

燃料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能或的。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會(huì)產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護(hù)方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。單個(gè)的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車輛使用的要求。近幾年來，燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展。世界著名汽車制造廠，如戴姆勒-克萊斯勒、福特、豐田和通用汽車公司已經(jīng)宣布，計(jì)劃盡快將燃料電池汽車投向市場。目前，燃料電池轎車的樣車正在進(jìn)行試驗(yàn)，以燃料電池為動(dòng)力的運(yùn)輸大客車在北美的幾個(gè)城市中正在進(jìn)行示范項(xiàng)目。在開發(fā)燃料電池汽車中仍然存在著技術(shù)性挑戰(zhàn)，如燃料電池組的一體化，提高商業(yè)化電動(dòng)汽車燃料處理器和輔助部汽車制造廠都在朝著集成部件和減少部件成本的方向努力，并已取得了顯著的進(jìn)步。

與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：零排放或近似零排放，減少了機(jī)油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲。

二、沼氣燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

沼氣作為農(nóng)村生活燃料已為人們所接受，沼氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，直接驅(qū)動(dòng)加工作業(yè)機(jī)具和發(fā)電機(jī)以代替石油，沼氣發(fā)電在我國20世紀(jì)70年代就開始受到國家的重視，國內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了長足的研究。目前國內(nèi)已建成了好幾座大型沼氣發(fā)電工程，例如，浙江省最大的酒精生產(chǎn)廠——長征化工廠，建成了設(shè)計(jì)容量為1000千瓦的沼氣發(fā)電站，發(fā)動(dòng)機(jī)由天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成，單機(jī)最大功率達(dá)450千瓦，既解決了酒糟液的處理問題，又生產(chǎn)了高質(zhì)量的能源;安徽毫州市酒精廠系古井貢酒廠配套企業(yè)，現(xiàn)年產(chǎn)食用酒精1.5萬噸，成為毫州市骨干企業(yè)，為改善淮河水系水質(zhì)污染現(xiàn)狀，1992年，安徽省計(jì)委批準(zhǔn)本企業(yè)污水治理工程及沼氣發(fā)電工程立項(xiàng)。該項(xiàng)目總投資300萬元，沼氣工程現(xiàn)日處理酒糟液400立方米，已于1994年9月投入運(yùn)行。該廠沼氣發(fā)電項(xiàng)目，每年可創(chuàng)效益114.8萬元，其中直接經(jīng)濟(jì)效益94.8萬元，三年半就可回收全部投資;國內(nèi)許多大城市，如南京市、杭州市、深圳市都已建成垃圾處理廠沼氣發(fā)電工程，這些工程的建立將大大改善城市居住環(huán)境，減輕城市污染，由廢棄物產(chǎn)生的電能又緩解了城市的電力緊張問題。

日本卡西歐計(jì)算機(jī)公司成功開發(fā)一種世界最小的燃料電池，供筆記本電腦用，大小和現(xiàn)在使用的鋰電池差不多，但電容量卻是鋰電池的4倍。這是該公司為了滿足汽車和家庭需要而開發(fā)的固體高分子型燃料電池的一種，用改質(zhì)器從沼氣中提取氫送入燃料電池，改質(zhì)器只有500日元的硬幣一樣大，電池本身長20cm，寬和高均為幾厘米，用于一般的筆記本電腦可連續(xù)驅(qū)動(dòng)8到16個(gè)小時(shí)。

日本雅馬哈公司2005年11月宣布，已成功開發(fā)出以沼氣為燃料的燃料電池摩托車‘FC-me。這款摩托車已于2005年9月16日在日本靜岡縣以出租的形式上路，是世界上首款進(jìn)人實(shí)用階段的燃料電池摩托車。這款燃料電池摩托車可用作小型摩托車的替代品，燃料是沼氣水溶液，加滿燃料可持續(xù)行駛100km，和使用汽油的摩托車相比，排放的CO2可減少約45%。

安徽理工大學(xué)承擔(dān)的淮南市千瓦級(jí)沼氣燃料電池研制國際合作項(xiàng)目已經(jīng)通過安徽科技廳驗(yàn)收。千瓦級(jí)沼氣燃料電池的研制項(xiàng)目以國產(chǎn)fypa-1050型質(zhì)子交換膜的熱穩(wěn)定性為研究對(duì)象，采用熱重分析等方法，開展了質(zhì)子交換膜在空氣中的熱分解動(dòng)力學(xué)和燃料電池用質(zhì)子交換膜在氮?dú)庵械臒岱纸鈩?dòng)力學(xué)研究。研究人員開發(fā)了一種用于甲烷蒸汽重整制氫的復(fù)合催化劑，采用復(fù)合催化劑制氫技術(shù)，在500攝氏度以下的條件下，使甲烷轉(zhuǎn)化率接近100%。該技術(shù)已經(jīng)申請了國家專利。此外，他們開發(fā)的內(nèi)熱式甲烷蒸汽重整制氫反應(yīng)器，也在項(xiàng)目實(shí)施中進(jìn)行了成功應(yīng)用

三、沼氣理化特性

沼氣，是各種有機(jī)物質(zhì)，在隔絕空氣（還原條件），并在適宜的溫度、濕度下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。

沼氣的主要成分是甲烷。沼氣由50%～80%甲烷（CH4）、20%～40%二氧化碳（CO2）、0%～5%氮?dú)猓∟2）、小于1%的氫氣（H2）、小于0.4%的氧氣（O2）與0.1%～3%硫化氫（H2S）等氣體組成。由于沼氣含有少量硫化氫，所以略帶臭味。其特性與天然氣相似。空氣中如含有8.6～20.8%（按體積計(jì)）的沼氣時(shí)，就會(huì)形成爆炸性的混合氣體。

沼氣的主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即對(duì)燃燒。每立方米純甲烷的發(fā)熱最為34000千焦，每立方米沼氣的發(fā)熱量約為20800-23600千焦。即1立方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7千克無煙煤提供的熱量。與其它燃?xì)庀啾龋淇贡阅茌^好，是一種很好的清潔燃料。沼氣除直接燃燒用于炊事、烘干農(nóng)副產(chǎn)品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內(nèi)燃機(jī)的燃料以及生產(chǎn)甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。經(jīng)沼氣裝置發(fā)酵后排出的料液和沉渣，含有較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可用作肥料和飼料。沼氣作為一種新型可再生能源燃料，具有較高的熱值，與其它燃?xì)庀啾?，其抗爆性能較好，是一種性能優(yōu)良的清潔燃料。它還具有以下特性：

（1）沼氣燃燒速度低;它的速度為每秒0.2米，不到液化氣的1/4、煤氣的1/12。因?yàn)槿紵俣鹊?，?dāng)氣體流速大于速度時(shí)，沼氣還沒有來得及燃燒就逸出了，容易造成脫火。

（2）沼氣燃燒空氣混合比大，沼氣在燃燒時(shí)需要大量空氣，正常情況下，一份沼氣需要5.7倍的空氣，是液化氣的四倍。同時(shí)它所需的空氣量又分為一次空氣和二次空氣，一次空氣是沼氣燃燒前需要混合的空氣，二次空氣是沼氣燃燒時(shí)由火焰周圍大氣所提供的空氣。

（3）沼氣的低壓特性。沼氣屬低壓范疇，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，池壓應(yīng)低于10千帕。沼氣壓力分池壓與灶前壓力。不使用時(shí)，池內(nèi)與管道內(nèi)各處的壓力是相等的;使用時(shí)，灶前壓力小于池壓，因?yàn)闅怏w流動(dòng)時(shí)，管道和管件有一定的阻力，從而產(chǎn)生壓力損失。因此，輸氣距離應(yīng)不超過30米。管路安裝時(shí)，應(yīng)該堅(jiān)持近、直二個(gè)原則。

（4）沼氣還具有較強(qiáng)的腐蝕性。硫化氫來源于發(fā)酵原料中的含硫化合物，是一種有毒氣體，燃燒后生成二氧化硫會(huì)污染大氣。同時(shí)硫化硫還會(huì)強(qiáng)烈腐蝕管路中的金屬部件。

（5）沼氣的燃點(diǎn)高，如液化氣著火點(diǎn)僅為360℃，而沼氣的著火點(diǎn)為650℃-700℃。

因此，鑒于沼氣具有以上優(yōu)點(diǎn)，證明其在新能源的研究與開發(fā)利用方面很有潛力，同時(shí)其利用前景也將非常廣闊。

四、沼氣燃料電池的工作原理

利用燃料電池發(fā)電，是國際上能源研究的一個(gè)熱點(diǎn)。由于燃料電池的能量利用率高，對(duì)環(huán)境基本上不造成污染，目前國際上對(duì)燃料電池的研究投入了大量的人力、物力。

燃料電池是近年來技術(shù)發(fā)展進(jìn)步最快的產(chǎn)業(yè)之一，它是把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。沼氣燃料電池的工作原理和普通電池一樣，是將物質(zhì)的化學(xué)鍵能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。在普通的電池中，用來提供化學(xué)鍵能的物質(zhì)在使用一定時(shí)期以后，要么需要進(jìn)行充電才能繼續(xù)使用，要么則完全換新的。但是，只要向燃料電池的電極供給“燃料”和氧化劑，則燃料電池就可以連續(xù)地進(jìn)行由化學(xué)鍵能向電能的直接轉(zhuǎn)化。由燃料電池的工作原理圖（如圖）可見，燃料電池由陽極和陰極所組成，在陽極和陰極之間為導(dǎo)離子的電解質(zhì)，根據(jù)電解質(zhì)的不同而有不同類型的燃料電池。陽極和陰極都是用多孔的材料制成，以便燃料和氧化劑進(jìn)行良好的接觸。在陽極上，燃料氣體被氫氧化物、氧化物和來自電解質(zhì)的碳酸鹽離子所氧化而生成H20、CO，并產(chǎn)生電子。如果在陽極和陰極間用導(dǎo)線連接，則電子就會(huì)從陽極流向陰極。在陰極上氧化劑被來自陽極的電子離子化，而生成氫氧化物、氧化物或碳酸鹽離子，這些離子通過電解質(zhì)由陰極流向陽極，從而形成了整個(gè)電流回路。

圖1 燃料電池工作原理圖

沼氣燃料電池的反應(yīng)方程式如下：

甲烷燃料電池、KOH溶液為電解質(zhì)溶液

電極反應(yīng)：負(fù)極：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

正極：2O2+4H2O+8e-=8OH-

電池總反應(yīng)式：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+4H2O

五、沼氣燃料電池汽車的美好時(shí)代

中國已成為繼美國之后的第二大汽車市場，國內(nèi)汽車需求仍在不斷上升。與此同時(shí)，油價(jià)的持續(xù)上漲更進(jìn)一步突出了能源的緊缺，中國對(duì)于開發(fā)新能源汽車的需要越來越緊迫。而國際上公認(rèn)的促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的道路移動(dòng)性賽事首次移師發(fā)展中國家就選擇在中國舉行的必比登挑戰(zhàn)賽，則為整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展清潔能源汽車提供了很好的平臺(tái)。隨著全球油價(jià)的不斷上漲，以及機(jī)動(dòng)車污染排放日益成為城市空氣污染主要來源，清潔能源汽車已成為全球汽車工業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。然而清潔能源汽車究竟離我們還有多遠(yuǎn)？

2000年的第一輪燃料電池汽車試運(yùn)行高潮過后，世界各國對(duì)燃料電池汽車的投入，已從建造示范汽車重新回到加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。因?yàn)榭茖W(xué)家冷靜地認(rèn)識(shí)到，燃料電池汽車要走向商業(yè)化，必定是一場需要厚積薄發(fā)的“長跑”。2006年8月17日，是我國燃料電池汽車研制進(jìn)程中一個(gè)特別的日子，由中科院大連化學(xué)物理研究所等自主研發(fā)的兩輛燃料電池觀光示范車，在大連市的星海廣場投入了公交車的試運(yùn)行，中國的燃料電池汽車又前進(jìn)了重要的一步?！叭剂想姵仄囈嬲呦蛏虡I(yè)化不是百米沖刺，而是厚積薄發(fā)的長跑?！敝袊こ淘涸菏俊⒋筮B化學(xué)物理研究所燃料電池工程中心總工程師衣寶廉，談到燃料電池汽車的未來走向感慨地說，這是經(jīng)過一連串的實(shí)驗(yàn)、試運(yùn)行得出的結(jié)論。

燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它可以直接將貯存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。衣寶廉院士介紹，世界上第一輪燃料電池汽車研發(fā)高潮在2000年左右，當(dāng)時(shí)，美國、歐洲和日本的各大汽車生產(chǎn)廠家，無不都在加緊開發(fā)燃料電池技術(shù)，企業(yè)界尤其是各大汽車生產(chǎn)廠家看到燃料電池巨大的市場潛力，紛紛投入巨資，組成聯(lián)盟，進(jìn)行燃料電池車的相關(guān)研究、試驗(yàn)與生產(chǎn)。各大汽車公司，包括奔馳、通用、豐田等都認(rèn)為，到2004年燃料電池車將能夠批量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。戴姆勒—克萊斯勒甚至宣稱，預(yù)計(jì)屆時(shí)燃料電池汽車的售價(jià)將降至每臺(tái)約1萬8100美元。美國前能源部長佩耶1998年在接受《紐約時(shí)報(bào)》的采訪時(shí)也作出自己的預(yù)測：燃料電池進(jìn)入家庭、汽車和其他領(lǐng)域的步伐將比人們的想象要快得多。然而，事實(shí)卻并非預(yù)料中的那么樂觀。2003年7月，最早將燃料電池汽車投入商業(yè)運(yùn)營之一的日本豐田汽車公司，召回了其出租的6輛燃料電池汽車，并宣布推遲另外6輛燃料電池汽車的租賃。原因是儲(chǔ)存氫燃料的高壓氫氣罐，它在加注氫氣時(shí)出現(xiàn)了泄漏。幾乎與此同時(shí)，各個(gè)國家都在燃料電池汽車的試運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)了一系列防不勝防、需要馬上就解決的難題。目前，國際社會(huì)關(guān)于燃料電池汽車未來的預(yù)測是，“要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化至少要到2015之后”。新能源汽車在中國能否走遠(yuǎn)，答案是肯定的。但是燃料電池汽車要真正走向商業(yè)化不是百米沖刺，而是厚積薄發(fā)的長跑。需要考慮的因素還比較多，比如，加快制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，出臺(tái)對(duì)節(jié)能、環(huán)保汽車的稅費(fèi)減免和補(bǔ)貼措施，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上提供便利條件，支持商業(yè)化新能源汽車的引入等。

六、沼氣燃料電池的發(fā)展前景

中國國土資源部總工程師張洪濤先生于2009年9月25日在北京介紹，中國地質(zhì)部門在青藏高原發(fā)現(xiàn)了一種名為可燃冰（又稱天然氣水合物）的環(huán)保新能源，預(yù)計(jì)十年左右能投入使用。在當(dāng)天的新聞發(fā)布會(huì)上，張洪濤說，這是中國首次在陸域上發(fā)現(xiàn)可燃冰，使中國成為加拿大、美國之后，在陸域上通過國家計(jì)劃鉆探發(fā)現(xiàn)可燃冰的第三個(gè)國家。

可燃冰是水和天然氣在高壓、低溫條件下混合而成的一種固態(tài)物質(zhì)，具有使用方便、燃燒值高、清潔無污染等特點(diǎn)，是公認(rèn)的地球上尚未開發(fā)的最大新型能源?！翱扇急笔俏磥頋崈舻男履茉?。它的主要成分是甲烷分子與水分子。它的形成與海底石油、天然氣的形成過程相仿，而且密切相關(guān)。埋于海底地層深處的大量有機(jī)質(zhì)在缺氧環(huán)境中，厭氣性細(xì)菌把有機(jī)質(zhì)分解，最后形成石油和天然氣（石油氣）。其中許多天然氣又被包進(jìn)水分子中，在海底的低溫與壓力下又形成“可燃冰”。這是因?yàn)樘烊粴庥袀€(gè)特殊性能，它和水可以在溫度2～5攝氏度內(nèi)結(jié)晶，這個(gè)結(jié)晶就是“可燃冰”，也常稱為“甲烷水合物”。在常溫常壓下它會(huì)分解成水與甲烷，“可燃冰”可以看成是高度壓縮的固態(tài)天然氣。沼氣的成分和可燃冰的主要成分相同，因此沼氣資源是非常豐富的。這為沼氣燃料電池的研究與開發(fā)提供了物質(zhì)保證，沼氣燃料電池的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)也證明其應(yīng)用前景非常廣闊。據(jù)PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司預(yù)計(jì)，全球燃料電池市場到2015年將達(dá)到350億美元。另據(jù)ABI公司的保守估計(jì)，到2020年燃料電池市場將達(dá)380億美元。據(jù)SRI咨詢公司預(yù)測，2015年燃料電池市場約50億美元，到2020年預(yù)計(jì)市場價(jià)值將達(dá)到456億美元。靜止式燃料電池市場從2015年20億美元增加到2020年100億美元，便攜式燃料電池2018年市場將達(dá)到250億美元，汽車燃料電池市場將從2015年6億美元增大到2020年100億美元。因此，燃料電池的各種優(yōu)點(diǎn)預(yù)示著沼氣燃料電池的應(yīng)用將成為市場的主流，同時(shí)沼氣燃料電池汽車的發(fā)明也將給汽車行業(yè)帶來新的曙光。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源，是沼氣燃料電池最具吸引力的應(yīng)用方向之一;隨著人們對(duì)新能源的渴求，以及沼氣燃料電池優(yōu)點(diǎn)的凸顯，相信沼氣燃料電池的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，市場規(guī)模會(huì)越來越大。

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作者簡介：

周偉（1979—），男，河南商城人，大學(xué)本科，副教授，主要研究方向：汽車運(yùn)用。

朱浩燕（1982—），女，河南禹州人，大學(xué)本科，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。