燃料电池技术发展概述

曾勋

摘 要 自从第二次科技革命以来，已经有一百多年的历史了。传统的火力发电是将燃料中的化学能先转化为热能，利用热蒸汽产生的机械能来对外做功发电。而燃料电池则是致力于直接将储存的燃料与氧化剂之间的化学能转化为电能。作为一种特殊的能量转化方式，它具有效率高、清洁、用途广泛等诸多优点。燃料电池不仅在航天飞船、潜艇、发电站等方面得到重用，而且可以作为手机、电脑等各种各样的用电设备的储备电源。尽管燃料电池有着无可比拟的优势和极其广泛的应用前景，然而高成本、寿命短、不稳定等诸多技术瓶颈使得它的商业化面临重大挑战。本文主要从燃料电池的发展背景、工作原理、发展现状来对燃料电池技术进行讲解，并对未来前景做出分析，从而推动其商业化。

关键词 燃料电池 新能源 燃料电池汽车 质子交换膜燃料电池

1燃料电池的研究背景及工作原理

1.1燃料电池的研究背景

能源问题是当今社会发展三大难题之一，而今已经越发严重。传统的能源利用方式，受到热机效率卡罗循环的限制，能源利用率不会超过40%，而燃料电池发电理论能量利用率可高达90%。其实，作为一种使用燃料进行化学反应转化电能的装置，早在1839年英国人Grove就已经发明了。如今，其优势更加显著，燃料电池由此成为21世纪的研究热点，也是各国政府重点支持的工程项目，可以说燃料电池的研发在21世纪迎来前所未有的发展机遇。60年代，燃料电池成功地应用于阿波罗登月飞船。从此以后，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域。日本自1981～1990年进行集中研究磷酸盐燃料电池，目前5兆瓦级加压型和1兆瓦级常压型电厂已经投入运行。在全球环境保护问题日益突出的今天，燃料电池汽车作为环保型汽车越来越受到人们的重视。而近几年燃料电池汽车的发展势头大大超过了蓄电池电动汽车。尽管燃料电池大规模的商业化还存在各种各样的问题，但是它的研究还是进行的如火如荼。

1.2燃料电池的工作原理

燃料电池本质上是一种电化学的发电装置，其组成与一般电池相同。单体燃料电池可以看作是由正负两个电极以及电解质组成。在燃料电池中，负极为燃料电极，正极为氧化剂电极。常用燃料可以是氢气、各种富含氢的气体如重整气和甲醇等，而氧化剂较为常用的是净化空气、氧气和一些液体如过氧化氢和硝酸的水溶液等。但是，与铅蓄电池、锂离子电池等常规蓄电池不一样的是，燃料电池工作时，氧化剂和燃料可以源源不断地由外部提供。这样可以把燃料电池看作一种能量转换装置，不断地将化学能直接转化为电能。理论上，只要燃料和氧化剂不断，反应不断发生，生成物不断排出，就可以实现持续发电。

燃料电池的种类有很多，依据工作温度的不同，可以分为低温、中温和高温三种类型;依据内部电解质的不同，又可以分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等类型;依据燃料的不同，汽车用燃料电池可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池、汽油燃料电池等。这各种各样的燃料电池类型不仅说明了它种类繁多，也代表着其较大的应用范围。

燃料电池内部发生的是化学反应，电极就必然起着传递电子，形成电流回路的作用，但与普通电池不同，它的电极表面发生的是多相催化反应，电极表面只起到催化作用，电极本身不参与反应。以下以最常见的也是研究最多的氢氧燃料电池为例来介绍一下燃料电池的工作原理（如图1）。

氧电进行还原反应，得到电子，反应式为：

O2 + 4e- → 2O2-

燃料電极进行还原反应，失去电子，反应式为：

2H2 -2e- → 4H+

2燃料电池的特点

2.1研发的复杂性与精细性

自燃料电池这个概念提出至今，已经有一百多年了，然而到今天燃料电池的实际应用还不能令人满意，它还不足以替代现有的能量转换模式。在科学体系高度成熟的今天，为什么它依旧不能突破最关键的一部呢？其实这在于其研发的复杂性与精细性。它涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等多种学科的有关理论，但是没有一个系统性的理论指导。同时，与一些其它类型的蓄电池相比，燃料电池的燃料电化学活性比较低。就实用性而言 ，氢气作为燃料的话，它的电化学活性较高，理论也比较完善，催化反应相对较为简单，条件也不那么苛刻。但是作为气体，氢气的储存运输存在很大问题，安全性难以保证，氢气的制备工艺也不能令人满意。其它液体燃料如甲醇、乙醇、乙酸等，存储运输以及安全性都很好，理论比能量也较高，然而它的催化工艺如此复杂，它的碳碳键或是碳氢键释放能量相当困难，其电极反应中间产物中间过程太多，这导致其催化剂的研究一直都取得没有令人满意的进展。目前，多种金属、不同形貌、不同比例的合金催化剂是人们普遍关注的，然而他们大多都离不开Pt、Pd这种贵金属，因此成本增加。同时有的催化反应需要高温，有的催化剂易被催化反应的中间产物给毒化，有的催化剂的稳定性较差，这种种原因导致了催化剂的寿命较短，又间接地增加了燃料电池的制造成本。

2.2巨大的综合优势

可以这样讲，在目前已知的科技手段中，还没有哪一项能源生成技术能够像燃料电池一样将诸多优点集合于一身。传统火力发电依靠高温热蒸汽推动庞大的涡轮机组来发电，虽然效果不错，但其极低的运行效率对化石能源来说是一个极大的浪费。一般这种大型涡轮机组发电的同时，需要立即通过高压电网向外输送，这样既增加损耗，也增长了对输电网的依赖性。并且涡轮机组发电的时候，也制造了可恶的噪音和大量的废热。燃料电池可以通过多个燃料电池的单体进行串联或是并联来输出需要的电流和电压，因此它的发电设备具有散布性的特质。长距离、高电压的输电网络及中央发电站式的电力输配架构，大大降低了能源利用的安全性，很容易因某一点的故障使得整个系统发生瘫痪。显而易见，燃料电池就不一样，它只是一个能量转换的设备，它只需要源源不断的燃料和氧化剂的供给就可以持续发电。在特殊的场合下，模块化的设置可提供极高的稳定性。氧化剂可以是来自空气中的氧气，而燃料的来源也非常广泛，它的启动和停止都是极易操作的。每个家庭、机构和工厂都可以独立使用，彼此之间可以互不相关，相互独立，这样最大程度上降低了能源的风险性。

除此之外，燃料电池还体现了高度的环境亲和性。目前，环境问题愈来愈突出，人们保护环境的呼求也愈来愈高。据调查显示，市区污染性的空气可能是造成心血管疾病及癌症的元凶之一，各地的雾霾等异常天气对人们的生活也造成了极大的影响。毫无疑问的是燃油发动机的使用，是空气污染的重要因素之一。燃油发动机工作时温度很高，部分燃料氧化不充分很容易生成CO这种有毒气体，空气中的N2在内燃机中也可以转化为各种氮氧化合物。这些产物往往不能被很好地处理就被释放到空气当中，成为空气中的污染物。而燃料电池不一样，燃料电池中的氢气燃料电池的生成物是绿色产物水，甲醇燃料电池及乙酸燃料电池的生成产物是H2O、CO2，这都不至于产生有毒气体排放到空气中。 燃料电池发动机在运行过程中，化学能被安静地释放，噪声小、振动小，散热系统、热管理系统也就更加简单;产出物清洁无污染，也不需要进行净化和消 声处理，这样更容易实现自动化系统管理。

2.3系统复杂性

燃料电池要实现自动化，绝不是一个单单的电池就可以实现的。它工作条件和特性要求决定了它系统的复杂性，不同的工作特性有不同的技术要求。下面以氢气燃料电池为例做出说明。空气中的氧气可以做氧化剂，这是最普遍的，然而空气里面的一些杂质可以对燃料电池的工作核心催化剂产生副作用，这就需要空气压缩及空气预处理单元。对氢气而言就更为严格。氢气的储存既要注意安全性，也要注意比容量的要求。同时反应之后，并不是所有的氢气都反映完全，这需要重复回收处理单元。有时候由于工作温度的要求，也许还需要进行适当的散热处理。下面是一个氢气燃料电池的系统布置图（如图2）。

3燃料电池汽车

尽管燃料电池种类繁多并且及多种优点于一身，但它的技术问题没有太大的突破性进展，这阻止它走向日常生活当中。在航天工业、潜艇工业等军工行业中，我们可以不计成本，但民用普及的时候却不行。目前，在环境问题的困扰中和政府的支持下，燃料电池汽车正在小规模走向市场。或许，在这些刚性需求的带动下，燃料电池的理论及应用技术都将取得长远的进步。广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池（PEMFC） ，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。

燃料电池汽车的动力系统一般由质子交换膜燃料电池、蓄电池、电机和系统控制设备组成。燃料电池所生成的电能经过DC /DC 转换器、DC /AC逆变器等的变换， 带动电机的运转， 将电能转变为机械能， 为汽车提供动力。电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术，这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。

从全球范围看，日本和韩国的燃料电池研发水平处于全球领先的地位，像丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性、寿命和成本方面逐步超越了美国和欧洲。中国虽然已经完成多次燃料电池汽车的大规模示范运行，但与国外的燃料电池汽车示范运行相比还有不小的差距。

4燃料电池技术展望

燃料电池的诸多优点不再赘述，它的应用前景也显而易见。在多种技术制约因素当中，以液体为燃料的燃料电池的核心是高性价比的催化剂。对于氢气燃料电池而言，氢气的储存和制备是其核心问题。对于后者而言，存在的是天然的缺陷，如果试图彻底决解其中的技术问题来获得较优的综合性能，只会变得更加复杂。而像甲醇、乙酸等燃料，可以直接从石油、煤、植物、农作物中提取，来源广泛。同时，像乙酸这种燃料，既是液体又是无毒的，在实际应用当中，既方便又安全，体积比能量也可以达到较高水平。然而，找到高效廉价稳定的催化剂是它走向市场化关键性制约因素。现有的Pt基或Pd基合金催化剂，原料稀有价格昂贵，稳定性和寿命都不尽如人意。有关催化剂的理论复杂但也不完善，无法以理论来指导催化剂的合成制备工艺，只能更多地依赖于实验。生物体内的各种复杂的蛋白酶可以将葡萄糖里面的化学能慢慢转化释放出来的原理或许能给我们提供启发。

参考文献

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[3] 廖艳梅.燃料电池的非铂基催化剂制备及其电化学性能[D].长春：吉林大学，2015.