燃料電池的發展及其應用

www.cq360.cn 來源：慧聰網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-6-30

燃料電池經過165年的漫長發展歷程，已從實驗室走向宇航尖端領域，走向民用，逐步形成產業化、商品化，為新世紀汽車業的大發展奠定了堅實的物質基礎。燃料電池汽車將引發21世紀新能源與環保的綠色革命，已經成為國際汽車業高技術競爭中的熱點和奪取未來(Futura)市場(Rialto)的殺手锏，這是現代汽車發展的新動向和必然趨勢。本文較為詳細地介紹了燃燒電池的優點、發展簡史、發展前景及其在汽車上的應用。關鍵詞：燃料電池應用縱觀世界(Mondi)，燃料電池汽車即將以其“清潔、安靜、微笑”的形象駛入21世紀，而成為新世紀的機動車明星(Stellar)和人們夢寐以求的理想交通工具之一，這是現代汽車發展的新動向和必然趨勢。自從電動汽車誕生的那天起，鉛酸電池就一直統治了電動汽車動力源的大好江山，但是由于鉛酸蓄電池儲存能量少，報廢后的酸液和重金屬鉛嚴重污染環境，所以開發清潔無污染、高效率、長壽命的新能源已經成為世界(Mondi)汽車業的重要責任，燃料電池就是最被看好的一種新型鉛酸電池替代品。一、何為燃料電池燃料電池是一種不經過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變為電能的發電裝置，亦即通過氧與氫結合成水的簡單電化學反應而發電。它的種類可以多種多樣，但都基于一個基本的設計，即它們都含有二個電極，一個負陽極和一個正陰極。這二個電極被一個位于它們之間的、攜帶有充電電荷的固態或液態電解質分開。電極上的催化劑（如白金），常用來加速電化學反應。只要向燃料電池不斷供給燃料，就可以在電極上連續發生電化學反應，并產生電流。單個燃料電池塊的電壓小于1V，因而要將多個燃料電池組合在一起，制成電池堆，并根據電壓和電流的需要將電池堆進行串聯或并聯，以產生足夠的電力。　二、燃料電池的獨特優點及發展前景燃料的電池具有傳統鉛酸電池無可比擬的獨特優越性，高效率、無污染、低噪聲、建設周期短、易維護以及成本低是其誘人特點。首先是它的高效率。從理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉化為可利用的電和熱。實際上，直接甲醇燃料電池的發電效率已經達到40%，磷酸燃料的電池的發電效率接近46%；熔融碳酸鹽燃料電池的發電效率也超過60%；固體氧化物燃料電池與汽輪發電機聯合使用，其效率更高，能達到70%。如此高的發電效率可以說是史無前例的。其二，具有良好的環保效益。近年來，隨著世界(Mondi)汽車的生產量和保有量的急劇增加，其排放污染物占大氣污染物的50%以上，其中CO、HC、NOX和揮發性有機物是影響空氣質量的主要殺手，可導致臭氧層破壞，是溫室效應的最主要根源，已經成為危害人體健康的“罪魁禍首”，全世界(Mondi)人們對其均“深惡痛絕”，各國都紛紛頒布愈來愈嚴格的法規予以控制。因此，解決環境污染問題的關鍵是要從根本上解決能源結構問題，研究開發清潔能源，而燃料電池正好符合這一環保需求。燃料電池中的氫氣是唯一直接應用的燃料，它和氧氣在鉑催化劑的觸發下發生電化學反應，其反應的副產物是水，幾乎不產生其它有害物質，將其應用到汽車上，完全可以達到“零排放、零污染”。它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、潛艇、水下機器人、通訊系統、中小規模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網調峰問題，市場(Rialto)前景十分廣闊。其三，據專家預測，21世紀中、下葉世界(Mondi)石油資源將面臨枯竭，以石油產品為燃料的現代汽車即將面臨“饑餓”和“死亡”的威脅。而燃料電池可以用天然氣、石油液化氣、煤氣、煤、生物質和醇類等作為燃料。這些燃料的儲存量大，有些還可以再生（如生物質、醇類），已經成為解決這一世界(Mondi)難題的重要途徑之一。　　縱觀全球，目前世界(Mondi)上幾乎所有發達國家都在燃料電池的研究和開發上投入巨資和人力，燃料電池技術已經成為國際高技術競爭中的熱點和奪取未來(Futura)市場(Rialto)的殺手锏，越來越受到研究、產業界的高度重視，將引發21世紀新能源與環保的綠色革命。美國將燃料電池技術列為涉及國家安全的技術之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首；日本政府認為燃料電池技術是21世紀能源環境領域的核心；加拿大計劃將燃料電池發展成國家的支柱產業。近十年來，國外政府和企業在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒(佳士拿)公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田(TOYOTA)公司的年投資額超過50億日元。美國礦物能源部長助理克·西格爾說：“燃料電池技術在21世紀上半葉在技術上的沖擊(Impuise)影響，會類似于20世紀上半葉內燃機所起的作用。”可以想象，如果燃料電池真能在汽車上普遍應用，那么“污染”將會成為一個遙遠的名詞。三、燃料電池的發展簡史燃料電池的歷史可以追溯到19世紀英國法官和科學家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所進行的電解作用實驗- - 使用電將水分解成氫和氧- - 是人們后來稱之為燃料電池的第一個裝置。后來，人們很快發現，如果要將這一技術商業化，必須克服大量的科學技術障礙。因此，人們對Grove 發明的早先興趣便開始淡漠了。直到19世紀末，內燃機的出現和大規模使用礦物燃料使得燃料電池被論為僅僅是一次科學上的奇特事例。　燃料電池的現代發展史可以論為起始于20世紀60年代初期。當時，美國政府的新機構國家航空和宇宙航行局（NASA）正尋找為其即將進行的一系列無人航天飛行提供動力的方法。由于使用干電池太重，太陽(solara)能價格昂貴，而核能又太危險，燃料電池正好吸引了他們的視線，在空間領域的應用取得了巨大的成功，特別是在1968年，美國宇航局完成了阿波羅載人登月計劃后，對燃料電池的研究便熱了起來，研究項目也逐年增多。 20世紀80年代，燃料電池就開始從空間應用轉入民用，除了60年代已在空間應用方面達到最高水平的堿性燃料電池（AFC）之外，還有燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等新型燃料電池相繼問世。它們被成功地用于發電站和與內燃發電機聯網共同發電的民用領域，其功率達到兆瓦極，運行效率高達70%以上。90年代燃料電池最大的突破是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的發展，因為從性能、效率、重量、成本等多方面綜合考察發現，PEMFC最適合燃料電動車技術。燃料電池經過165年的漫長發展歷程，已從實驗室走向宇航尖端領域，走向民用，逐步形成產業化、商品化，為新世紀汽車業的大發展奠定了堅實的物質基礎。四、燃料電池在汽車摩托車上的應用我國燃料電池研究始于1958年，70年代在航天事業推動下，燃料電池研究呈現第一次高潮。“九五”期間，科技部與中科院將燃料電池技術列入“科技攻關”重大發展項目，目標是利用我國的資源優勢，從高起點做起，加強創新。在"九五"期間，使我國燃料電池的技術發展接近國際水平。內容包括"質子交換膜燃料電池技術"、"熔融碳酸鹽燃料電池技術"及"固體氧化物燃料電池技術"三大項目，其中用于電動汽車的“5kW質子交換膜燃料電池"列為開發的重點。此項任務由中國科學院及部門所屬若干研究所承擔，所定目標業已全部實現。“十五”期間，在“科技攻關”、“863”、“973”等國家計劃中都安排了有關燃料電池技術的計劃和項目。在質子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國研究開發的這類電池已經達到可以裝車的技術水平，可以與世界(Mondi)發達國家競爭，而且在市場(Rialto)份額上，可以并且有能力占有一定比例。我國自把質子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關計劃的重點項目以后，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在全國范圍內全面開展了質子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統的研究，取得了很大進展，相繼組裝了多臺百瓦、1kW～2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統。5kW電池組包括內增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現已開發出200w電動自行車用燃料電池系統。由6臺5kW電池組構成的30kW電池系統已成功地用作中國首臺燃料電池輕型客車動力源。裝車電池最大輸出功率達46kw。目前該車最高時速達60.6km/h，為燃料電池電動汽車以及混合動力電動汽車的發展打下良好的基礎。該電池堆整體性能相當于奔馳(mercedes-benz)、福特(Ford)與加拿大巴拉德公司聯合開發的MK7質子交換膜燃料電池電動車的水平。“十五”期間，國家科技部把燃料電池電動汽車列為國家“863”計劃，我國目前正在進行大功率質子交換膜燃料電池組的開發和燃料電池發動機系統集成的研究。據報導中美合作的“中國燃料電池公共汽車商業化示范項目”已經實施，北京市和上海市分別選擇一條公共汽車路線進行示范試驗。這個項目不僅包括燃料電池汽車本身，也將對燃料電池商業化過程中各種基礎設施、能力建設、培訓等進行全方位的試驗示范，這將大大推動我國燃料電池汽車的商業化發展的進展，業內人士預測10年后我國燃料電池汽車產業有望形成。 1、燃料電池（PEMFC）在汽車上的應用燃料電池最早應用于汽車上是在20世紀50年代General Electric公司發明的質子交換膜燃料電池。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，用來取代原來使用的內燃機。質子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質膜，或固態聚合物電解質膜，或聚合物電解質膜燃料電池。質子交換膜燃料電池在質子交換膜燃料電池中，電解質是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly [perfluoro sulphonic]acid），和質子能夠滲透但不導電的NafionTM ，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極，裂解成氫離子（質子）和電子。氫離子通過電解質滲透到陰極，而電子通過外部網路流動，提供電力。以空氣形式存在的氧供應到陰極，與電子和氫離子結合形成水。在電極上的這些反應如下：陽極：2H2 → 4H+ + 4e- 陰極：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O 整體：2H2 + O2 → 2 H2O + 能量質子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學反應能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。這種電極/電解質裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個場流板中間便能構成燃料電池。這二個板上都有溝槽，將燃料引導到電極上，也能通過膜電極裝配導電。每個電池能產生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。質子交換膜燃料電池擁有許多特點，因此成為汽車的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴寒條件下迅速啟動。其電力密度較高，因此其體積相對較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40～50%的最高理論電壓，而且能快速地根據用電的需求而改變其輸出。當一輛汽車使用以甲醇或天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內燃機時，其二氧化碳的排放量可以減少高達72%，與內燃機的效率25%左右相比，它們的效率可高達60%。以甲醇為燃料的燃料電池，其燃料利用率是用汽油內燃機車的1.76倍。唯一的潛在問題是燃料的質量，為了避免在如此低溫催化劑受到污染，質子交換膜燃料電池必須使用沒污染的氫燃料。當前，世界(Mondi)各地都在立法強迫汽車制造商生產能極大限度地降低排放的車輛，質子交換膜燃料電池為這種要求帶來實質性機遇。現在，大多數汽車生產商視質子交換膜燃料電池為內燃機的后繼者。在這一進程中，運用不同車輛和使用不同地區的試驗進展順利，用質子交換膜燃料電池為公共汽車提供動力的試驗已在溫哥華和芝加哥取得成功。德國的城市也進行了類似的試驗，還有另外十個歐洲城市也將在公共汽車上進行試驗，倫敦和加利福尼亞也將計劃在小型車輛上進行試驗。目前，能產生50 kW電力的示范裝置業已在使用，能產生高達250 kW的裝置也正在開發。 2、燃料電池在摩托車的應用開發燃料電池摩托車，實際上是對其核心技術——燃料電池的研發。氫氣是唯一在燃料電池中直接應用的燃料，但是自然界中并沒有氫氣資源，只能從其它能源如天然氣、液化石油氣、汽油、柴油、煤、生物質及醇類中，用各種途徑生產出來。但也不是所有途徑都可行，其成本也不低。尤為重要的是至今還無法突破技術瓶頸，其燃料液態氫的制取、存儲、運輸(Tran Sport)和添加是天大的難題。因此，尋求能夠替代氫氣直接用于燃料電池的其它燃料，從而降低燃料電池系統的體積和造價，是燃料電池摩托車研究的重點。試驗證實，甲醇是目前較為理想的替代燃料。因為，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最簡單的液體有機化合物，在市場(Rialto)上有完整的銷售網絡，貯存安全、攜帶方便。同時，由于摩托車的功率只須1.5～3kw，將直接甲醇燃料電池用在摩托車上是完全可能的。因此，人們對直接甲醇燃料電池非常感興趣。直接甲醇燃料電池不需甲醇重整而直接作為燃料。甲醇在陽極轉換成二氧化碳和氫，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應。在電極上的這些反應如下：陽極反應：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- 陰極反應：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O 電池反應：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O 這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當甲醇低溫轉換為氫和二氧化碳時要比常規的質子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進行重整便能工作而相形見拙。目前，直接甲醇燃料電池技術已經獲得突破。我國在中科院"九五"重大應用發展項目和吉林省應用發展項目的支持下，長春應化所在國內率先開展了"直接甲醇燃料電池關鍵材料及其制備技術"項目的研究工作。2000年該項目在直接甲醇燃料電池陽極催化劑方面的研究工作成效顯著。日前，由長春應化所、北京科技大學、清華大學、北京工業大學、南京師范大學共同組成的國家“863"直接甲醇燃料電池關鍵材料及其制備技術項目組，在關鍵材料新型質子交換膜，陽極及陰極催化劑、電極/膜集合體、雙極板等多方面研究取得進展的基礎上，成功地組裝成20W級的組合電池- - 10個單電池組合的電池堆。其單體電池性能為：在80℃～90℃下400mV時電流密度可達150mA/cm2～200mA/cm2；在中溫時400mV下電流密度可達100mA/cm2～150mA/cm2，達到20世紀90年代末的國際水平，在國內處于領先地位。他們改進了直接甲醇燃料電池的關鍵材料- - 新型質子交換膜和催化劑，電池結構采用電路串聯、物流并聯的方式，催化劑中白金的含量進一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，電池壽命明顯延長，最佳工作狀態時電池堆發電電壓2.0V，電流為10A，可以不間斷地驅動許多電器設備運轉。目前，該成果已申請6項中國發明專利，1項美國發明專利。更令人欣慰的是一種具有原始創新性和自主知識產權的，直接把燃料和氧化劑中的化學能連續不斷地轉換成電能的直接甲醇燃料電池，也已在山東理工大學山東省清潔能源工程技術研究中心研發成功。這種新型燃料電池，是應用山東理工大學清潔能源工程技術研究中心提出的模擬生物酶燃料電池催化劑的思路，采用廉價、性能高的模擬生物酶代替當今燃料電池中使用的價格高、資源受限的鉑催化劑制成的。經過近4年的實驗，終于取得實驗室實驗發電成功。其工作原理為直接將甲醇和水混合物送至DMFC陽極，發生電催化氧化反應生成CO2,并釋放出電子和質子，電子從陽極經外電路轉移至陰極形成直流電。其工作溫度從室溫到135℃。甲醇用完后，只要補充甲醇水溶液就可以。據山東理工大學校長姚福生院士介紹，直接甲醇燃料電池是將燃料的化學能直接轉化成電能的電化學連續反應裝置，具有能量轉化效率高，可靠性強，質能比高，清潔，易啟動，無噪音，低輻射，隱蔽性強，模塊化結構，靈活方便，可水、電、熱聯供等優點。 2004年初，日本雅馬哈公司宣布成功試制出了配備直接甲醇式燃料電池（DMFC）的摩托車。現在，首批燃料電池摩托車正在雅馬哈公司試驗場進行試驗，但是還要經過1年才能批量生產。關于燃料為何選擇了甲醇而不是汽車制造商所用的氫，該公司表示：“由于氫燃料電池系統的重量和體積均較大，在摩托車上安裝壓縮氫油箱非常復雜和不安全，因此對于摩托車使用的功率不超過1kW的電池系統采用直接甲醇方式更好一些”。該車功率為500w，質量為20kg，最高速(High Speed)度為40km/h。燃料箱貯存濃度為50%的甲醇水溶液，在實際發電時，利用燃料電池發電反應所產生的水，把甲醇水溶液稀釋到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可裝5L甲醇）摩托車可行駛200km。今后雅馬哈公司打算將摩托車質量減少到10kg，并給燃料電池附加一個鋰離子蓄電池以改善啟動和加速性能。據報導由NASA/嘉德克噴氣推進實驗室（JPL）與南加利福尼亞州大學（USC）聯合開發的直接甲醇燃料電池（DMFC）已獲得22個專利和40多個正在申請中的美國和外國專利，這些專利包括了使用溶解于水中的甲醇為燃料的原始和基礎的專利，并已通過設在美國加利福尼亞州Pasadena的直接甲醇燃料電池公司（DMFCC）實現工業化生產。 2002年，美國曼哈頓科技公司宣布，該公司與歐洲第二大摩托車廠商——意大利阿普利亞（APRILIA）公司聯合開發了使用燃料電池驅動的電動摩托車，并在巴黎車展上展出。此次開發的電動摩托車名為"MOJITOFC"，配備有曼哈頓科技公司生產的輸出功率為3kw的燃料電池。使用的燃料為純氧，批量生產時的連續行駛距離為193km、最高速(High Speed)度可達56.3km/h。早在2001年，這兩家公司就共同開發了燃料電池驅動的電動自行車，這款車使用ENJOY質子交換膜燃料電池，輸出功率為 600w，使用的燃料為氫氣，氫氣存放于一個重0.78kg、壓力為30Mpa的高壓碳纖維燃料罐中，續航能力為75km（25km/h），全車重量24kg。此次推出的是第二款，配備的燃料電池由曼哈頓科學公司的德國相關公司NOV-ARS開發，具有小而輕的特點。包括電子裝置、閥門、風扇等在內的燃料電池系統總重量為6kg，燃料電池本身重4.3kg。 2001年美國曼哈頓科技公司與意大利阿普利亞公司聯合開發的燃燒電池自行車德國AQWON汽車公司在“2003年漢諾威工業展”上展示了使用氫氣作為燃料的輕便摩托車。最高時速為45km/h。在車輛下部配備了氫氣燃料罐。內部為吸收氫氣的金屬合金構成。在6個大氣壓及20℃下可以貯藏2600L氫氣。燃料充滿時可以行駛100km。 2002年底，國內第一輛燃料電池自行車由上海綠亮電動自行車有限公司和美國POWERZINC公司博信電池上海有限公司合作開發成功。據介紹，這輛燃料電動自行車裝備的是鋅空氣燃料電池。所謂鋅空氣燃料電池，就是通過鋅離子與空氣反應，把化學能直接轉化為電能的裝置。該車的比能量可達200w·h/kg，在同樣電壓條件下連續行駛里程超過200km，相當于鉛酸電池的4～5倍。綜上所述，從世界(Mondi)燃料電池迅猛發展的勢頭看，本世紀頭十年將是燃料電池技術商品化、產業化的重要階段，其技術實用性、生產成本等都將取得重大突破。高效率、環保型燃料電池汽車的產業化、商品化必將成為不可阻擋的大趨勢。