石新軍

燃料電池(fuel cells，F(xiàn)Cs)是繼火電、水電和核電之后的第四代發(fā)電技術。它是一種將儲存在燃料(如氫氣)和氧化劑(如氧氣)中的化學能，通過電化學反應過程直接轉化為電能的電化學發(fā)電裝置。它是唯一同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化的動力裝置，被認為是21世紀最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術。

燃料電池已有160多年的發(fā)展史。早在1839年，英國學者格羅夫(W.R.Grove)就首先提出通過氫和氧的電化學反應發(fā)電的原理。直到20世紀60年代，隨著航天工業(yè)的發(fā)展，燃料電池作為主電源系統(tǒng)被成功應用到航天飛行中。經(jīng)過百年的發(fā)展歷程，燃料電池在特種、航天和民用的移動電站、分立電源、特種、電動車、計算機與通信等眾多領域具有非常廣泛的應用前景和巨大的市場潛力。隨著科技進步和氫能技術的全面發(fā)展，燃料電池將會深入到人類活動的各個領域，直至走進千家萬戶。因此，氫能利用和燃料電池技術研究開發(fā)的重要意義，已受到世界各國的普遍關注和高度重視。

根據(jù)工作溫度的不同，可將燃料電池分為低溫(工作溫度低于100℃)、中溫(工作溫度在100～300℃)和高溫(工作溫度在600～1000℃)三種。而最常用的是根據(jù)燃料電池所用電解質分類，據(jù)此可分為5種主要類型，即堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中后3種燃料電池是目前世界各國競相研究開發(fā)的重點。表1列出了上述5種燃料電池的主要特點。

燃料電池的工作原理及特點

燃料電池是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。單體燃料電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是，一般電池的活性物質貯存在電池內部，電池容量因此受到限制。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，發(fā)生反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產(chǎn)物就不斷排出，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例說明燃料電池的基本工作原理，圖1是組成氫-氧燃料電池的基本單元示意圖。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。

通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，目的是用來加速電極上發(fā)生的電化學反應。燃料電池的工作原理如下。

與此同時，電子在外電路的連接下形成電流，通過適當連接可以向負載輸出電能。當然，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，綜合了常規(guī)電池和內燃機的優(yōu)點，克服了它們的缺點，因此具有特殊的生命力。綜合起來，它具有以下優(yōu)點。

①由于燃料電池的工作原理是建立在電化學理論之上，不受熱機效率的限制，所以其效率是內燃機效率的2～3倍。

②參與的化學反應是氫(燃料)和氧(空氣)，生成物是水，所以完全沒有污染。

③它不同于常規(guī)電池，燃料電池是一種發(fā)電裝置、能量轉換裝置，而不是能量存儲裝置，所以不需要充電，運行時間長。

④燃料電池的工作沒有機械運動，所以不會產(chǎn)生噪音。

⑤燃料電池的電極和一般電池的電極不同，它只是化學反應的場所和電流的通道，并不參與化學反應，因此沒有電極損耗，工作可靠、壽命長，一般可達5萬～10萬小時。

⑥燃料電池除了可用氫氣作燃料外，還可用天然氣、煤氣，甲醇等作燃料，因而其燃料具有多樣性。

⑦由于采用模塊化結構，燃料電池發(fā)電裝置可根據(jù)所需發(fā)電規(guī)模由多個單電池組合而成，電池組的組裝和維護都非常方便，因而可靠性較高。由于燃料電池具有以上優(yōu)點，尤其是無污染，因此受到世界各國的廣泛重視。在21世紀，燃料電池必將部分取代內燃機和常規(guī)電池，成為能源工業(yè)的一支新軍。目前，有關燃料電池燃料與供應系統(tǒng)的研究開發(fā)已成為眾多相關學科與技術領域的一個重大課題。

燃料電池的應用

由于燃料電池的諸多特性使其廣泛應用于電動汽車、航天飛機、特種、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，以及其他需要移動電源的場所。以下是應用的幾個方面。

汽車工業(yè)　車用燃料電池所具有的效率高、啟動快、環(huán)保性好、響應速度快等優(yōu)點，使其當仁不讓地成為21世紀汽車動力源的最佳選擇，是取代汽車內燃機的理想解決方案。從燃料電池的發(fā)展勢頭看，汽車內燃機的生產(chǎn)將會在21世紀中葉終止。燃料電池汽車的最大優(yōu)點是清潔、無污染，所排出的唯一廢物是水。在全球環(huán)境保護問題日益突出的今天，燃料電池汽車作為環(huán)保型汽車越來越受到人們的重視。世界各大汽車制造廠商普遍認為，近期真正有可能取代傳統(tǒng)汽車的清潔交通工具，只能是燃料電池汽車，燃料電池就是汽車工業(yè)的未來。近幾年燃料電池汽車的發(fā)展勢頭大大超過了蓄電池電動汽車。隨著大規(guī)模應用前景的顯現(xiàn)，美國、歐洲和日本的汽車制造廠商都在加緊開發(fā)車用燃料電池技術;預計三四年后，燃料電池汽車將會進入批量生產(chǎn)階段，并投放市場。依據(jù)燃料的不同，汽車用燃料電池可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池、汽油燃料電池。

圖2A是通用汽車公司在2001年法蘭克福汽車展上展出的新型氫燃料電池車氫動三號。其主要性能為：液體氫罐容量為68L、氫儲存量為416kg，燃料電池組的尺寸為472mm×251mm×496mm、額定輸出功率為94kW，驅動電機的輸出功率為60kW、最高速度為150km、連續(xù)行駛距離為400km。

圖2B是戴姆勒-克萊斯勒集團2000年11月7日，在柏林推出的一種甲醇燃料電池新車型NECAR5。它是以奔馳A級車為基礎改裝的，配備了加拿大巴拉德公司的最新質子交換膜燃料電池，采用甲醇來制取氫，燃料電池組最大輸出功率為75kW、最高車速為150km/h、一次充注續(xù)駛里程為450km;燃料電池的效率比以往測試車型提高了50%，同時驅動系統(tǒng)的體積顯著減小，重量也大幅度減輕。

圖2C是日本馬自達與美國福特汽車公司在小型轎車Premacy的基礎上，聯(lián)合開發(fā)的乙醇燃料電池車Premacy2FC2EV。這輛可坐5人、用乙醇作燃料的環(huán)保車已得到日本交通部批準獲得汽車牌照，并開始在日本國內進行公路越野試驗。其引擎的輸出功率為65kW。此外，馬自達將使用開發(fā)的燃料電池車參加日石三菱及戴姆勒等共同開展的燃料汽車越野試驗計劃。

圖2D是豐田汽車公司在2001年第35屆東京汽車展上展出的新型汽油燃料電池汽車FCHV25，它是用改質型汽油類燃料的清潔碳氫化合物燃料來制取氫氣的。豐田將改質器做得更小并安裝在汽車底板下，其尺寸為寬600mm、厚880mm、高200mm。

據(jù)說豐田目前已開始在車輛中安裝這種改質器進行行駛試驗。不過，豐田覺得這一尺寸仍然略大，準備進一步將其縮小到現(xiàn)在的1/3左右，以便能夠安裝到引擎室中。

能源發(fā)電　普遍認為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是未來最有吸引力的發(fā)電方法之一，它的能量轉換效率高、燃料使用和場址選擇靈活、污染物排放量很少。美國國家科技委員會人士指出：燃料電池將結束火力發(fā)電時代。目前國外重點開發(fā)能源發(fā)電的有以下幾種燃料電池。

磷酸鹽燃料電池：美國已經(jīng)完成12～200千瓦級就地發(fā)電裝置現(xiàn)場試驗，技術趨于成熟，已可作為商品出售。日本自1981～1990年進行集中研究，目前5兆瓦級加壓型和1兆瓦級常壓型電廠已投入運行。

熔融碳酸鹽燃料電池：從1987年開始，美國燃料電池研究重點已由磷酸鹽型轉向高溫熔融碳酸鹽型。截至1993年完成70kW、120kW級熔融碳酸鹽燃料電堆的評估試驗，第一座演示性200kW電站已于1994年底運轉，1998年開始出售正式產(chǎn)品。

質子交換膜燃料電池：加拿大巴拉德公司和世界許多著名公司共同合作開發(fā)千瓦級以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過5年研發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月運至美國，經(jīng)過周密測試和評估，在提高設計性能與降低成本的基礎上，第二座電廠誕生，現(xiàn)安裝在柏林，輸出功率為250kW，也是在歐洲的第一次測試。很快巴拉德公司第三座250kW電廠也于2000年9月出現(xiàn)在瑞士的測試現(xiàn)場，2000年10月第四座燃料電池電廠在日本NTT公司安裝完成，開拓了亞洲市場，促進了其商業(yè)化進程。第一個早期商業(yè)化電廠已在2001年底面市。

固體氧化物燃料電池：在固定電站領域，被稱為第三代燃料電池的固體氧化物燃料電池，正在積極的研制和開發(fā)中，是蓬勃興起的新型發(fā)電方式之一。

殼牌氫氣公司和西門子、西屋電力公司聯(lián)手，開發(fā)和銷售一種獨具特色的、以天然氣為燃料的發(fā)電技術。

該技術結合并應用了高溫固體氧化物燃料電池，以及殼牌公司開發(fā)的二氧化碳清除技術，它不產(chǎn)生導致溫室效應的氣體。除了電力以外，這種先進的裝置只產(chǎn)生水和純CO2。CO2將被注入廢棄的油氣貯藏池，在此永久歸隱，以取代曾埋藏在地底達數(shù)百萬年之久的碳氫化合物。與常規(guī)發(fā)電技術相比，對發(fā)電量達10兆瓦級的發(fā)電廠而言，新型固體氧化物燃料電池發(fā)電技術能更有效地利用燃料，且成本更低廉、占地更少。

我國在開發(fā)燃料電池能源發(fā)電方面也做出了可喜的成績。最近，上海交大結合我國在21世紀能源發(fā)展的多元化趨勢，吸收了國內外寶貴經(jīng)驗，率先在國內成功進行了1千瓦～115千瓦的熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電實驗。2001年7月，該項目通過成果鑒定。

該電池組連續(xù)工作達300小時，最大輸出功率1060瓦以上，電池組平均電池密度達14818mA/cm2。

船舶工業(yè)　原則上講，所有燃料電池都適用于水面艦船的發(fā)電和(或)推進系統(tǒng)。這些燃料電池所用的燃料有氫氣、富氫氣體(如甲烷)或液態(tài)碳氫化合物(如甲醇、柴油)，后者必須經(jīng)過適當?shù)闹卣拍苡糜谌剂想姵叵到y(tǒng)。

美國海軍1995年完成的一項燃料電池技術在用作船用電網(wǎng)和推進系統(tǒng)時，就其對驅逐艦和小型護衛(wèi)艦等海軍戰(zhàn)艦的設計性能及其影響進行了評價研究。1998年美國海事署對燃料電池在集裝箱船上的應用進行了研究，該船所需總動力為5440kW，它具備在集裝箱內貯存加壓天然氣(LNG)的所有必要條件。在8×40ft型的集裝箱船中所裝載的天然氣燃料，能夠行駛大約560海里(1海里≈11852千米)，它比使用柴油約便宜了30%，但缺點是熔融碳酸鹽燃料電池的預期壽命不長，在船上只能運行大約5年時間。

德國西門子公司一直進行著特種動力電源的研究，在212級特種使用的質子交換膜燃料電池單元基礎上，最近又研制出120千瓦單元。此單元功率密度可達280和300W/kg，從2000年開始批量生產(chǎn)。另外，西門子公司還研制了30～45千瓦氫-空氣燃料電池單元，用貯存在艦艇上的氫或柴油液體燃料重整制得的氫來工作，在2000年已用于水面艦艇。2003年建成的Class212型特種，帶有一套300kW的供電裝置，依靠一個甲醇裂解爐產(chǎn)生氫氣，巡航速度可達8海里/小時，氧氣儲備可供燃料電池、裂解器和全體船員呼吸使用，發(fā)電效率達70%。

航天工業(yè)　60年代，燃料電池成功地應用于阿波羅登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域。

美國飛機制造業(yè)巨頭波音公司與設在西班牙馬德里的波音技術研究開發(fā)中心等聯(lián)合研制一種使用環(huán)保燃料電池的電動飛機。波音公司表示，研制這種電動飛機，主要是想檢測燃料電池在特種領域應用的潛力。此項研究的最終目的并不是用燃料電池和電動馬達來取代現(xiàn)有民航飛機的引擎，而只是取代現(xiàn)有飛機引擎的輔助動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于飛機尾部，主要提供飛機在陸地上行駛所需動力以及在飛行中提供輔助電力。與現(xiàn)有的燃油輔助動力系統(tǒng)相比，燃料電池系統(tǒng)噪音更低，更加清潔、高效，它使用同樣的燃料能生產(chǎn)雙倍電力，因此可以大大減少特種運輸對環(huán)境的污染。波音公司飛機新產(chǎn)品開發(fā)部的首席工程師邁克·弗蘭德說，燃料電池是一種潛力巨大的新技術，它在未來民航飛機上的應用前景廣闊。

移動通信　未來數(shù)年內，新的動力之源——迷你型燃料電池將成為最搶手的便攜設備電源，它將帶來電池能源的革命，在手機、筆記本電腦、掌上電腦等電子產(chǎn)品上都將出現(xiàn)它小巧的身影。

高分子型燃料電池手機：2001年日本電器公司試制了一種新型高分子型燃料電池，看上去就像是一塊餅干。它的原理是如同打火機裝油一樣，從注油口注入燃料補充電力，以供長期使用。手機有了它，可以使用1個月以上，電腦則可連續(xù)使用數(shù)天。

甲醇燃料電池手機：摩托羅拉及美國洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國家實驗室聯(lián)合開發(fā)了一種微型燃料電池，預計這種電池終有一天取代目前使用的傳統(tǒng)電池，被各種各樣的電子產(chǎn)品用作電源，包括手機、筆記本電腦、手持式照相機、電子游戲機等，此種電池的底面尺寸約為1平方英寸、厚度小于0.90英寸。使用液體甲醇作燃料，可以十分方便地安裝在各種電子產(chǎn)品內。電池的能量密度超過傳統(tǒng)充電電池的10倍。預計3～5年后，體積將明顯小于目前的充電電池，價格也將大大低于如今的充電電池。

乙醇燃料電池手機：以色列密迪斯技術公司(MedisTechnologies)則采取截然不同的方法——采用液態(tài)電解質，它與法國手機制造商簽訂協(xié)議，正在興建一座蓄電池廠，每年能生產(chǎn)5000萬微型燃料電池。該電池以乙醇作燃料，對旅行者尤為適用。公司總經(jīng)理風趣地說道：我可以從飯店的冰箱拿出一瓶上好的伏特加酒，往燃料夾中倒一些，就可使用手機了!即使便宜的伏特加也能管用。

機器人　美國南佛羅里達大學科學家已研制出了一種靠吃肉給體內補充電能的機器人。這種機器人看上去像一列小火車，有12只輪子，體內裝有一塊微生物燃料電池，為機器人運動和工作提供動力。這種微生物燃料電池可以通過細菌產(chǎn)生酶，消化肉類食物，然后把獲取的能量再轉化為電能，供給機器人使用。發(fā)明者威爾金森教授說，實驗表明這個機器人吃蔬菜效果不佳，吃肉類食品最適宜。

此外，這種機器人還可以吃糖塊。發(fā)明者還說，這臺機器人不會對人類構成任何威脅，因為并沒有給它安裝這類傳感器。這種微生物燃料電池運用在機器人研究中尚屬首次。

生物燃料電池的發(fā)展　最近，燃料電池技術又有了新的突破，英國科學家研制成功了生物燃料電池。一般燃料電池都用貴金屬作為催化劑。這類催化劑都是稀有金屬，因而價格昂貴。這一狀況嚴重妨礙了大功率燃料電池和大型燃料電池的推廣，對大型燃料電池發(fā)電廠的發(fā)展有著很大的負面影響。

不久以前，英國肯特大學和牛津大學的科學家們合作，從細菌細胞中提煉出一種叫做甲醇脫氫酶的生物催化劑。這種酶能夠加速氫氣的釋放，從而使電子數(shù)目大大增加。在酶催化劑的作用下，剛剛問世的生物燃料電池顯示出功率大、體積小、效率高、成本低等突出優(yōu)點。其能量轉化效率高達60%～70%。生物燃料電池發(fā)展前途廣闊，其實用化和商業(yè)化問題正處于進一步研究之中。

21世紀，氫能將取代煤、石油、天然氣等礦物能源，人類將告別礦物能源時代，步入氫能時代。燃料電池作為把氫能直接轉化為電能的潔凈發(fā)電裝置，即將大規(guī)模進入社會的各個領域。

燃料電池發(fā)展前景展望

燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的重要手段。燃料電池的先進性和實用性已經(jīng)得到公認，在加大對燃料電池的開發(fā)、研究與利用力度方面盡管還存在一些問題，比如電極材料、制造成本、催化劑等問題，但是瑕不掩瑜，加快燃料電池發(fā)展必然是世界發(fā)展的總趨勢。在發(fā)展燃料電池過程中，應該根據(jù)各種不同燃料電池各自的優(yōu)缺點和發(fā)展障礙，有針對性地展開適宜的研究，使各種燃料電池都能發(fā)揮應有的作用。

在全球面臨著環(huán)境惡化和能源危機的情況下，我國加入同發(fā)達國家在清潔能源研究開發(fā)領域的戰(zhàn)略競爭。燃料電池發(fā)電技術被列入《科技發(fā)展十五計劃和2015年遠景規(guī)劃》。中國科學院啟動科技創(chuàng)新戰(zhàn)略行動計劃重大項目——大功率質子交換膜燃料電池發(fā)動機及氫源技術。中科院和科技部為這項21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術投資逾1億元人民幣。這標志著中國科學家在21世紀初為氫能時代的到來做好了準備。

21世紀被認為是氫能的時代。可以相信，隨著科技進步和氫能技術的全面發(fā)展，燃料電池商業(yè)化進程中的問題會逐步得到妥善解決，其成本價格將會逐漸降低，燃料電池將會如計算機一樣，深入到人類活動的各個領域，直至走進千家萬戶。