燃料電池——蓄勢待發的綠色電池

　　引言

　　燃料電池（FuelCell）最早可追溯到1839年英國WilliamGrove進行的水逆電解反應時所發明的技術，至于其真正的實用化，則直到20世紀60年代才實際應用在航天及太空上。到20世紀80年代，在環保、節能等全球議題帶動下，美國、日本、加拿大、韓國及西歐各國等數百家公司及研究機構積極投入，燃料電池開始進入民用市場，到20世紀90年代后期燃料電池技術新專利不斷產生。近年，在低碳經濟的全球背景下，燃料電池研發和商業化進程有加快趨勢。

　　1 定義

　　燃料電池是一種在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效率（37~70%）地轉換成化學能的電源產品；由于所使用的主要是氫氣、醇類等燃料，且轉動的組件極少，具有對環境負荷小（低污染）、低噪音的特點，故其不僅適合用于中央電廠和區域分散電廠發電，亦可作為交通運輸工具（例如電動汽車、電動機車及電動自行車等）的動力電源，近年來，在國際領先企業的積極投入研發推動下，具有成為便攜式電子產品下一代動力電池的潛力。

　　2 工作原理

　　燃料電池實質是一種電化學裝置，組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個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，限制了電池容量，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，燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。

　　電池工作時，負極供給燃料（氫），正極供給氧化劑（空氣）。具體來說，它是利用一種叫質子交換膜的技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質子交換膜作用下，在陽極催化分解成為質子（氫離子）和電子，氫離子進入電解液中到達正極，電子不能通過質子交換膜達到正極，而是沿外部電路移向正極，用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水并釋放熱量。

　　燃料電池在產生電能過程中并不會產生明火，也不需要旋轉式發動機等運動部件，因此，燃料電池構造簡單，能量利用率高，噪音小而且穩定。理論上，應用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的60~70%轉化為動能，而內燃機只能達到20~25%。

圖1燃料電池工作原理示意圖

　　3 分類

　　燃料電池按照不同的標準可以劃分為不同的類別：如按照電池的運行機理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；按照電解質的種類可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）；按照燃料類型可劃分氫氣、甲醇、甲烷、乙烷等燃料電池；按照工作溫度可劃分為低溫型、中溫型和高溫型燃料電池；按照結構類型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

表1燃料電池按不同的方法分類

　　4 劃分標準類別

　　按運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

　　按電解質種類分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）

　　按燃料類型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等燃料電池

　　按工作溫度分為低溫型（溫度低于200℃）、中溫型（溫度為200~750℃）、高溫型（溫度高于750℃）燃料電池

　　按結構類型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

　　不同種類燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池，如受車用動力青睞的質子交換膜燃料電池（PEMFC），這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環境的氮氧化物，不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑（Pt）會與工作介質中的一氧化碳（CO）發生作用后產生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑（Pt）的價格很高，增加了燃料電池的成本。

　　在高溫（600~1000℃）下工作的燃料電池，如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發電廠中。

　　5 主要特性

　　傳統能源利用方式主要有兩大弊?。阂皇莾Υ嬗谌剂现械幕瘜W能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能，受卡諾循環及現代材料的限制，在機端所獲得的效率一半以上被浪費；二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

　　多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環境的能源利用方式，而燃料電池就是比較理想的發電技術。燃料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等眾多學科相關理論，具有發電效率高、環境污染少等優點。

表2燃料電池主要特性

　　6 燃料電池發展瓶頸

　　燃料電池與其他動力相比雖然有許多優點，但是也面臨成本過大、造價偏高的問題。例如車用質子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%，質子交換膜約占35%，這兩者的造價都很昂貴。另外，燃料電池的啟動速度與內燃機引擎還有差距，燃料電池的反應性和穩定性二者存在不可兼得的矛盾。同時燃料電池的碳氫燃料目前還無法直接利用，除甲烷外均須經轉化器處理產生純氫才可以應用。此外，儲氫技術的制約和加氫充氣站基礎建設的不足也極大地制約了燃料電池的推廣。

　　總而言之，燃料電池在以下幾個方面有待突破。

　　燃料電池使用成本：（1）燃料電池使用貴金屬鉑作為催化，且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性；（2）氫氣制取成本高，每公斤氫氣價格為汽油的數倍，儲運難度大，氫氣儲運成本高；（3）燃料電池的穩定性、壽命、復雜路況下的性能衰減，維護費用較高。

　　加氫網絡：氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體，且很難液化。氣體狀態下，能量密度低（680個大氣壓下的氫氣氣體，能量密度僅為一加侖汽油液體的14%）。氫能基礎設施落后，短時間內難以組成一個像加油站一樣的網絡。

　　7 結語

　　通過對比不同類型電池性能和應用后，賽迪顧問認為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動力電池領域占據主導地位，但由于污染性和續航能力等問題，傳統的鉛酸、鎳氫電池將逐漸被淘汰。隨著鋰電池技術的不斷成熟，制造成本和安全性能的逐漸提高，鋰離子電池在未來五到十年內將是動力電池發展的主流方向。

　　但是，鋰離子電池存在下游原料供應短缺、電池安全穩定性差等方面問題。而燃料電池是一種純正的綠色清潔能源，可減輕溫室效應使全球氣候變暖，符合當前低碳經濟的需要，同時氫氣等燃料供給來源途徑廣闊，燃料電池具有很大的發展潛力。如果燃料電池在技術上有突破的話，燃料電池將有很大的發展空間。

表3燃料電池與其他動力電池比較

　　預計到本世紀20年