第八部分

燃料電池一、燃料電池研究開發背景

二、燃料電池發電原理及特點

三、燃料電池的發展概況

四、國內外燃料電池發展的現狀

及將來發展展望一、燃料電池研究開發背景

根據國際能源機構預測，隨著經濟的發展、社會的進步和人口的不斷增長全世界的能源消耗在今后的二十年至少增加一倍。能量消耗的增加部分仍將主要由礦物燃料來滿足。地球上蘊藏的礦物燃料資源是有限的，它的高額消耗必將引起更深重的世界性能源危機，同時所產生的大量二氧化碳CO2，NOx和SO2等有害物質，會導致日益嚴重的環境污染，威脅著人類的生存環境。隨著經濟的迅速發展，發展新的能源技術，解決日益嚴重的能源與環境問題，已成為十分緊迫的任務。

自1839年英國的R．Grove爵士提出燃料電池(FuelCell)概念以來，燃料電池已經歷了一百多余年的發展歷史，但其真正快速發展還是近四十年的事。上世紀六十年代以來，美國航天航空局(NASA)和國防部已用堿金屬燃料電池為“阿波羅”號飛船、航天飛機等航天飛行提供動力電源，為遙遠的偏僻地區駐軍供應電力與熱水。促使燃料電池從太空技術轉向民用的直接原因是二十世紀七十年代末的世界性能源危機及環境問題的加劇。近代技術突飛猛進，使燃料電池的產業應用成為可能。燃料電池作為一種直接電能轉換裝置已引起世界各國的重視，被看作是繼火力、水利和核能發電之后的第四種發電方式。尤其是二十世紀八十年代以來，燃料電池的研究、開發和示范速度越來越快，應用領域和前景越來越廣。

但是，目前國內的燃料電池研究尚處在小型原理裝置演示階段，離實用化還有相當差距。迄今為止，各研究單位將力量主要集中在燃料電池的電極制備和組堆，而對電池運行控制技術和原料催化重整技術只做了一些初步的研究工作，對其中的一些重要問題尚未能徹底解決。另外，目前燃料電池基本上采用貴金屬鉑等作為催化劑，使得建造成本過高，這一關鍵經濟因素嚴重制約著燃料電池的商業化。估計國內燃料電池電動汽車和發電站走向市場大約還需要10年以上的時間。(2005年)二、燃料電池發電原理與優點

燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉化為電能的能源轉換裝置。和常規化學電源發電方式相似，電極主要是提供電子轉移的場所，燃料(氫氣等)氣體在陽極發生氧化反應，而氧化劑氣體在陰極發生還原反應。在將陰陽極相隔開的電解質內，導電離子由高濃度處向低濃度處遷移，而電子通過外電路做功并構成完整的電回路。燃料電池的工作方式與常規化學電源不同的是，它的燃料與氧化劑并不貯存在電池內，而是直接從電池外連續供應的。當電池工作時，要連續向電池送入燃料和氧化劑、排出反應產物。

氫氧燃料電池裝置從本質上說是水電解的一個"逆"裝置。電解水過程中，通過外加電源將水電解，產生氫和氧；而在燃料電池中，則是氫和氧通過電化學反應生成水，并釋放出電能。燃料電池的工作原理與普通電化學電池相類似，然而從實際應用來考慮，兩者存在著較大的差別。普通電池是將化學能儲存在電池內部的化學物質中，當電池工作時，這些有限的物質發生反應，將儲存的化學能轉變成電能，直至這些化學物質全部發生反應。

對于原電池而言，電池所放出的能量取決于電池中儲存的化學物質量，對于可充電電池而言，則可以通過外部電源進行充電，使電池工作時發生的化學反應逆向進行，得到新的活性化學物質，電池可重新工作。因此實際上普通電池只是一個有限的電能輸出和儲存裝置。而燃料電池則不同，參與反應的化學物質，氫和氧，分別由燃料電池外部的單獨儲存系統提供，因而只要能保證氫氧反應物的供給，燃料電池就可以連續不斷地產生電能，從這個意義上說，燃料電池是一個氫氧發電裝置。燃料電池直接將化學能轉化為電能，它所構成的發電系統具有以下突出優點：1．能量轉化效率高。

因為它不通過熱機過程，不受卡諾循環限制，故能量轉換效率較高，如日本的以天然氣為燃料的11MW磷酸型燃料電池(PAFC)發電裝置，送電端發電效率達41．1％(HHV)；中高溫型燃料電池(MCFC和SOFC)發電系統，效率可望更高；如將廢熱的回收利用計算在內，其總能量利用效率可達70％~80％，遠遠高于普通內燃機和蒸汽機的效率。均明顯優于大型火電廠的效率。2.無污染或污染低

燃料電池是一種清潔型的發電裝置，即使是高溫的燃料電池，在運行時NOx的排放也僅十幾個ppm，CO排放量也相對少許多(與常規發電技術相比)；而且硫化物與氮化物的生成量極少，二氧化碳的排放亦很低。3.發電時系統不需要大量的冷卻水，使其不受水資源限制4．燃料電池系統運行噪聲低。如對兆瓦級磷酸型燃料電池PAFC廠10米處，噪聲一般低于55分貝5．負荷跟蹤特性好，過載能力強，變工況運行性能好，低負荷運行時能量轉換效率不但不降低，反而略有增加6．便于熱電聯供，中小型發電時經濟性高，熱電聯供時熱效率達80％7．裝置具有“積木”特性，適于分散建造，建設周期短，易于建成可移動的動力源。三、燃料電池的發展概況1.品種的開發隨著經濟的迅猛發展，人類對能源的需求量日益增加，而世界石油及煤的儲量持續減少，地球的生態環境不斷惡化，能源與環境問題已經成為制約各國經濟發展和人類進步的重要因素。作為綠色能源技術的燃料電池，可以一箭雙雕地解決節能和環境保護這兩大難題，因此近年來倍受重視，美國、歐洲、日本等發達國家都投入很大力量加緊研究開發。燃料電池的種類很多，按照使用的電解質種類主要有：（1）磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCells，PAFC)（2）質子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuel

Cells，PEMFC)（3）堿性燃料電池(AlkaliFuelCells，AFC)等上述燃料電池的工作溫度不高于200℃，稱為低溫燃料電池；（4）而熔融型碳酸鹽燃料電池(MeltCarbonateFuelCells，

MCFC)（5）固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells，SOFC)其中（4）（5）工作溫度大于650℃，稱為高溫燃料電池。1）堿性燃料電池

電解液是堿性水溶液，一般是氫氧化鈉水溶液或氫氧化鉀水溶液，其導電性好，電池放電時極化較小，在常溫下即能正常工作。但堿性溶液有較強的腐蝕性。另外，這類燃料電池要求原料氣和助燃氣中不含有二氧化碳，因為二氧化碳會與堿性電解液發生反應生成鹽。2）磷酸型燃料電池

電解液是磷酸水溶液。采用酸性電解液可克服氣體中二氧化碳的成鹽反應，降低了對原料氣和助燃氣純度的要求，普通的空氣就可以作為助燃氣。但酸的腐蝕性很強，對電池中電極材料和池體材料都提出了更高的耐腐蝕要求。磷酸在常溫下的解離度較小，提高溫度可以增加其解離度，從而提高其導電性。因此，這類燃料電池一般要求在200℃左右的溫度工作。3）熔融碳酸鹽型燃料電池

采用熔融的碳酸鹽(例如碳酸鈉與碳酸鋰混合物)作為電解液，電解液中不含水分。這種燃料電池可以用一氧化碳作為原料氣，因此可以采用固態煤為原料，將煤轉化成煤氣后輸入到燃料電池中發電。這對于具有豐富煤炭資源的中國來說，是一項很有價值的高效發電方式。這種燃料電池工作溫度在600-750℃范圍內。溫度高有利于提高電化學反應的活性，降低了對催化劑的要求，可以使用非貴金屬材料作為催化劑。但高溫下的液態電解質也對電極材料有嚴重腐蝕。4）固體氧化物燃料電池

在高溫下有些固體氧化物具有良好的導電性，可以用作燃料電池中的電解質。通常用氧化鋯作為固體電解質，工作溫度在1000℃附近。盡管工作溫度很高，但這種固體電解質不會腐蝕電極材料。SOFC電池的工作原理舉例：

固體氧化物作為電解質起傳遞氧離子和分離空氣、燃料的作用。在陰極上，氧分子得到電子被還原為氧離子：氧離子在電場的作用下，通過電解質的氧空位遷移到陽極(燃料電極)上與燃料H2或CH4進行反應：

202－－4e+2H2→2H20(1.2a)402－－8e十CH4→2H2O+CO2

(1.2b)電池總的反應為：2H2十O2→2H2O(1.3a)CH4+2O2→2H2O十CO2(1.3b)總反應過程的Gibs自由能△G轉變為電能。電池的理論極限效率根據文獻定義為：ηmax=△G/△H△H為總反應(1.3a)或(1.3b)的反應熱，△G為總反應的吉布斯自由能。由于電極極化，內阻和燃料利用不完全等原因，實際電池效率為：η=ηmax*E/Ea*εfE為工作電壓，εf為燃料利用率。對SOFC而言，效率一般為50~60％其余的約40％的能量以余熱排出。SOFC陰極材料在高溫SOFC中，要求電極必須具有如下條件：(1)多孔性：允許反應氣體容易擴散到三相界面，并增大催化反應表面；(2)高的電子導電性；(3)有高度的化學和熱相容性以及相應的熱膨脹系數。5）質子交換膜燃料電池

用專門合成的質子交換膜作為燃料電池的電解質。這是最新開發的能量密度最高的一種燃料電池，被稱為新一代燃料電池。目前國際上通用的質子交換膜是美國杜邦公司生產的全氟磺酸型NF薄膜，其質子導電性較好，耐腐蝕，使用壽命長。加拿大道公司生產的DOW膜是導電性更好的質子交換膜，但穩定性略低由于質子交換膜的優良的物理化學性能和電學性能，使質子交換膜燃料電池除了具備一般燃料電池的優點之外，還具有能量密度高、易于維修以及可在常溫下工作等重要優點。由于質子交換膜燃料電池的這些優點，使它受到科學家與工程師的極大重視。美國將它用于航天器工作電源，近年來各發達國家正在積極研究將它用作汽車等運輸工具的動力。美國國家關鍵技術委員會認為質子交換膜燃料電池是一項特別有希望的燃料電池技術。2.燃料氣的種類氫氣（排放好，多用于汽車），CO，甲醇，甲烷用于發電廠等。

根據對燃料的處理方式，燃料電池分為直接式和重整式兩種。直接式就是對燃料不加轉化處理，直接送入電池進行電化學發電，例如氫氣燃料電池等。重整式是將難以直接進行電化學反應的燃料如乙醇或煤等進行化學處理，轉化成氫氣或一氧化碳后送入電池進行電化學發電。有些燃料，既可以直接進行電化學反應發電，也可以先轉化成反應活性更高的氣體后進行電化學反應發電。

例如甲醇燃料電池，既有直接式的，也有重整式的。甲醇是一種便于儲存和運輸的可燃液體，以甲醇為燃料的液體燃料電池頗受人們重視。直接式甲醇燃料電池是讓液體甲醇直接在電化學反應池中發生氧化反應，輸出電能，在各種液體燃料中，甲醇在電池中的反應活性比較高，所以能直接進行電化學反應發電。重整式甲醇燃料電池是讓甲醇在催化轉化器中轉化成氫氣，然后進入電化學反應池中進行反應發電。這種方式實質上是將液體燃料轉化成氣體燃料，能有效地控制副反應的發生，發電效率也比直接式高。3.燃料電池電極所用的催化劑堿性燃料電池：陽極：負載在碳上的鉑黑陰極：金屬負載碳，鐵鈷鎳鈣鈦礦或尖晶石結構質子交換膜燃料電池：陽極：負載在碳上的鉑釕黑陰極：負載在碳上的鉑黑高溫燃料電池由于溫度高，對催化劑要求較低，可以不用貴金屬，也是由于貴金屬高溫容易揮發。四、國內外研究現狀及將來發展展望

早在1937年Baur和Preis就研制出第一臺固體氧化物燃料電池，然而到了八十年代初固體氧化物燃料電池才得到迅速發展起來。和所有燃料電池一樣，SOFC的研究工作需投入大量的資金。目前大多數SOFC的研制工作在發達國家的科研機構或大公司研究所進行，其中美國、德國和日本在SOFC的研究方面進展最為迅速，居世界領先水平。德國Siemens-Westinghouse電氣公司是最早從事SOFC研究的公司，它主要集中在發展管式SOFC電池。從1986年到1992年，Westinghouse電氣公司已成功研制出1個25KW級的管式SOFC電池系統，并分別在日本大阪和美國南加州進行直接天然氣的幾千小時的試驗運行。試驗證明電池的輸出、關閉、啟動熱循環等各項性能良好，電池的性能衰減率在0.5~2％。

各大汽車廠商都認為，近期內有可能取代傳統汽車的清潔交通工具只有燃料電池車。為此，它們紛紛敦促本國政府制訂相關的產業政策。美國能源部已制訂了“氫計劃”，提出要在2010年讓燃料電池車在汽車市場上占據25％。日本經濟產業省不久前提出的發展目標是，在2010年前要把汽車用燃料電池的價格降低到普通汽油發動機的水平，并且要首先從政府機關開始普及燃料電池車。經濟產業省還認定，豐田和通用兩公司采用的從新型汽油中制取氫氣的方法具有現實性，并建議由日、美、歐等國家制訂關于燃料電池的國際規格。

1.國外燃料電池的研究及應用

1）電站發電

燃料電池能量轉換效率高，對環境污染小，用作電站發電具有重要的經濟效益和環境效益。美國建成了一些中小型磷酸型燃料電池發電站，供一些商店、文化中心、公寓和醫院使用。日本在20世紀90年代安裝了十幾座兆瓦級的磷酸型燃料電池發電站，美日兩國還探索研究以煤或含碳氣體為原料的熔融碳酸鹽燃料電池發電技術，建造了兆瓦級的發電站。

2）航天電源

堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池可以在常溫下啟動工作，且能量密度高，是理想的航天器工作電源。尤其是采用氫氣作為燃料，工作時排出的水可供宇航員飲用，這樣就不用另外攜帶飲用水，這對于降低航天發射成本非常重要。美國從60年代開始，就采用堿性燃料電池作為航天器工作電源，70年代以來改用質子交換膜燃料電池。3）汽車動力

質子交換膜燃料電池工作條件溫和，啟動快，適合做車用動力。它不排放有害廢氣，用于城市公交運輸，對城市環境沒有污染。從80年代末起，北美，西歐和日本就開始研制以氫氣做原料氣的質子交換膜燃料電池電動汽車一零污染電動汽車。1993年，加拿大巴拉德公司研制出世界上第一輛燃料電池公共汽車。1997年，德國奔馳汽車公司和英國汽車公司分別推出用質子交換膜燃料電池驅動的無廢氣公共汽車。1998年，德國研制出重整式甲醇燃料電池驅動的電動汽車。美國福特公司和日本豐田汽車公司分別研制出質子交換膜氫燃料電池電動汽車。戴勒姆克萊斯勒2000年11月推出的燃料電池車Necar54）潛艇動力

堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池運行時基本上沒有紅外輻射，而且噪音小，用做潛艇動力，可大大提高其軍事隱蔽性。加拿大海軍在90年代初研制了一臺質子交換膜氫燃料電池做動力的海洋探測器。德國建造了質子交換膜氫燃料