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发表于 2004-6-1 00:00 |只看该作者 |倒序浏览

燃料电池相关技术介绍

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飞驰绿能 2004-05-22 13:29:34

燃料电池的组成及分类

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反映过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，大部分类型的燃料电池的效率高达50%-60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%-85%，作为动力源，其实际能源利用效率是普通内燃机的2-3倍。

氢氧燃料电池装置从本质上说是水电解的一个“逆”装置。氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池的基本结构主要由阳极、阴极、电解质和外部电路四部分组成，其阳极为氢电极，阴极为氧电极，两电极间是电解质。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，以加速电极上发生的电化学反应。

根据所使用的电解质类型、燃料来源等的不同，燃料电池可分为以下五种类型：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

五种类型燃料电池对比表

类型
电解质
导电离子
工作温度
燃料
氧化剂

碱性燃料电池
KOH
OH－
80℃
纯氢
纯氧

质子交换膜燃料电池
含氟质子交换膜
H+
80～100℃
氢气、重整氢
空气

磷酸燃料电池
H3PO4
H+
200℃
重整气
空气

熔融碳酸盐燃料电池
Na2CO3
CO32－
650℃
净化煤气、天然气、重整气
空气

固体氧化物燃料电池
ZrO2-Y2O3
O2－
1000℃
净化煤气、天然气
空气

　

质子交换膜燃料电池工作原理

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是发展较晚的一种新型燃料电池，其电解质是一种固体有机膜，在增湿情况下，膜可传导质子。它一般用铂做催化剂，工作环境温度一般为60℃-80℃，属低温燃料电池。

质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分，中间是一层很薄的膜——质子交换膜（PEM），这种膜不传导电子，是氢离子的优良导体，它既作为电解质提供氢离子的通道，又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极，由碳纸和催化剂组成,阳极为氢电极，阴极为氧电极。流场板通常由石墨制成。质子交换膜燃料电池以氢为燃料，空气或纯氧为氧化剂。多个电池单体根据需要串联或并联，组成不同功率的电池组（电堆）。

质子交换膜燃料电池的工作原理如下图所示：

1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，通过电极上的扩散层到达质子交换膜。

2）氢气在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2=2H++2e
3）在电池的另一端，氧气或空气通过双极板上的导气通道到达电池的阴极，通过电极上的扩散层到达质子交换膜。同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。

4）在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e =

总的化学反应如下：H2+1/2O2=H2O

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。生成的水通过电极随反应尾气排出。

　

燃料电池的特点

能量转化效率高

效率高达50%-60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%-85%，是普通内燃机的2-3倍。

无污染，可实现零排放

工作过程的唯一产物是水。

效率随输出变化的特性好

部分功率下运行效率可达60%，短时过载能力可达到200%的额定功率。

运行噪声低，可靠性高

无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。

构造简单，便于维护保养

模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，磨损之类故障少。

燃料（氢气）来源广泛，可再生

氢是世界上最多的元素，可再生；制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过电解水、生物制氢等方法获取氢气。

燃料补充方便

可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。

环境适应性强

功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两栖使用，适应多种环境及气候条件。

　

质子交换膜燃料电池的用途

电动车动力源

随着汽车工业的发展，汽车尾气对环境的污染越来越严重。特别是发展中国家，由于环境治理的力度不够，这一问题更为突出。为保护环境，减少城市中的大气污染，适应世界各国越来越严格的汽车尾气排放标准，大的汽车公司均在投巨资发展电动车。但目前以各种可充电电池为动力的电动车，均存在行驶里程短的问题。20世纪90年代兴起了一种混合动力车，即在市区靠电池推动，在高速公路靠汽油机行驶。很明显，这仅是一种过渡形式的电动车，不能彻底解决汽车尾气污染的问题。至今各国政府和专家及大企业均看好的是燃料电池电动车。燃料电池电动车的样车实验已经证明，以质子交换膜燃料电池为动力的电动车性能完全可与内燃机汽车相媲美。当以纯氢为燃料时，它能达到真正的“零”排放。20世纪末国际上已形成了一个燃料电池开发热潮。除各国政府投巨资支持这一研究外，世界各大汽车集团和石油公司也投入巨资进行各种形式的联合来发展这一技术。其竞争的焦点是在21世纪初将以燃料电池为动力的电动车推向市场。

可移动电源、家庭电源与分散电站

由于燃料电池电动车的推动，高度集成的甲醇部分氧化重整制氢系统已日臻成熟，并在燃料电池电动车上进行了实验。同时，也由于它的推动，目前世界各大石油公司均已介入汽油重整制氢的开发，期望在不改变汽车燃料供应这一公用设施的前提下，以汽油重整制氢作燃料电池电动车的氢源。据此，世界各燃料电池研究集团正在开发一至数十千瓦的质子交换膜燃料电池可移动动力源，用作部队、海岛、矿山的移动电源。

水下机器人、潜艇不依赖空气推进的电源

无缆水下机器人可完成不同深度的水下各种作业，而其活动半径则受动力源的功率与贮能量的限制。为提高无缆水下机器人的活动半径和作业时间，各国正在试验用质子交换膜燃料电池作为无缆水下机器人的动力源。

目前各国装备海军潜艇的动力源主要是以柴油发电机和铅酸蓄电池为动力的常规潜艇和核动力潜艇。核动力潜艇由于其造价高，退役时核动力设备的处理颇难等一系列问题无法建造很多。而常规的柴油机和铅酸电池为动力的潜艇因为经常要为铅酸电池充电而在通气管状态下航行，潜艇的隐蔽性与安全等日益受到威胁。因此，世界各国均在研究不依赖空气、可在水下较长时间航行、并能完成各种任务的非核动力潜艇。质子交换膜燃料电池由于其工作温度和噪声均低，能量转化效率高，是不依赖空气推进潜艇的理想动力源。

　

国内外燃料电池发展状况

目前，由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的突破，世界上的发达国家及各主要汽车公司都投入大量人力、物力，进行氢燃料电池的研究。以PEMFC为动力的各种型号的“零排放”汽车已在发达国家商业示范运行。

1）美国

最早的固体聚合物燃料电池（SPFC）系统是在60年代由美国通用电气公司（GE）为美国航空航天局（NASA）研制的。1969年，GE公司选用美国Du Pont公司生产的改进型Nafion膜，研制出350W的生物卫星用SPFC电池堆。自1990年起，通用汽车公司开始研究PEMFC在汽车方面的应用。1995年4月，加拿大巴拉德公司向通用汽车公司提供了价值600万美元的PEMFC，这些电池被安装在通用汽车公司生产的无污染汽车上。1998年9月在巴黎汽车展上，通用汽车公司展示了他们的燃料电池汽车。

1994年7月，福特汽车公司从美国能源部获得1380万美元的资助，用于开发PEMFC电动车。1997年12月15日，福特公司与加拿大的巴拉德公司和德国的奔驰公司合作制造PEMFC电动车，这三家公司计划在2004年使PEM FC为动力的客车和轿车在公路上运行。其商业化的目标是达到年产10万辆的能力。1999年1月，在Detroit汽车展上，福特公司展示了P2000燃料电池车及P2000SUV燃料电池车，后者是一种新概念的运动车。

1994年8月，戴姆勒·克莱斯勒汽车公司从美国能源部获得1500万美元的资金，用于开发PEMFC电动车。1998年12月在Los Angeles汽车展上，奔驰—克莱斯勒公司展示了PEMFC吉普车。并计划在2004年开始将燃料电池车推向市场。戴姆勒.克莱斯勒目前宣布，从2003年起将向欧洲10个主要城市公交公司提供30辆配备燃料电池的城市公交车“Clitato”，同时向欧洲、美国、日本和新加坡供应60辆公路测试用的、以奔驰A级为原型的燃料电池汽车F-Cell。 F-Cell的氢燃料成本与燃耗4.2L/100km的柴油车相同。60辆F-Cell将从2003年开始在政府援助的各国公共机构中使用。

1996年12月18日，美国最大的电力公司GPU公司出资3120万美元购买了加拿大巴拉德公司19.3%的股份。在美国，目前至少有28套天然气重整的PEMFC发电机组在发电，总装机容量超过13MW。

在美国，以能源部为首，大力研制和推广使用燃料电池，从1992年到2001年，仅从美国能源部就拨款七亿美元的基金，用于燃料电池的研制和开发，最近美国能源部又宣布，拨款1380万美元协助美国通用汽车公司，用来研究和发展高分子燃料电池及其在汽车上的应用。美国的通用公司、福特公司和克莱斯勒公司等在美国能源部的大力支持下，全力研究质子交换膜燃料电池汽车，并且相继推出了各自的实验车。据初步预测，大约到2004~2006年，燃料电池汽车便可能走向市场。在2000年的悉尼奥运会上，通用汽车公司就推出了用液氢作燃料的“氢动一号”燃料电池汽车作为运动场工作车。由美国环保局与戴姆勒•克莱斯勒公司、美国联合邮政服务公司联手研制的首批氢燃料电池汽车近日已投入实地使用检验阶段，这是燃料电池提供动力的机动车首次在美国全国的道路上实地驾驶运行。这项由美国政府与工业界共同合作实施的研究计划旨在推动氢能燃料电池汽车尽快投入商业应用。据称，今年下半年，戴姆勒•克莱斯勒公司生产的燃料电池大客车也将投入使用。2004年，一种由一个或多个燃料电池供电、名为“道奇赛手”的箱式货车，将作为首辆中型燃料电池商用车在美国投入运营。美国总统布什在2003年的国情报告中，曾呼吁美国向以氢为主要能源的国度迈进。美国政府拨款12亿美元，支持开发高效、经济的氢燃料电池。

2)加拿大

在研究和发展PEMFC技术方面，目前处于领先地位的巴拉德公司，完全是靠着加拿大政府的资助而发展起来的，在这一领域仍居于世界最高水平。1993年巴拉德公司就已经制造出了世界上第一辆以PEMFC为动力的城市公共汽车，其功率为125马力，载客20人。该车卖给了美国洛杉矶机场，目前仍在运行之中。1995年2月，由加拿大政府同美国加州南海岸空气质量管理公署等单位共同投资440万美元开发的巴拉德公司第二辆PEMFC汽车交付使用，其功率为275马力，载客75人。1996年2月，巴拉德公司从美国能源部得到810万美元的基金，与美国华盛顿乔治城合作，共同开发135马力的，以甲醇为基础燃料，以PEMFC为动力的公共电动车。1996年3月，卑诗省政府和巴拉德公司签订了一项860万美元的合同。巴拉德公司将向卑诗省政府提供三辆以PEMFC为动力的275马力的公共汽车。

1990年12月，巴拉德公司为加拿大国防部设计和制造了一台4000W的甲醇—空气PEMFC轻便型发电机。

1994年6月，加拿大国防部拨款270万美元给巴拉德公司，用于制造一艘以40kW的PEMFC为动力的潜艇，于1996年底完工。1997年—2001年还将再拨款2300万美元，建造一艘300kW的PEMFC潜艇。

3）德国

1993年3月，奔驰公司投资3400万美元研制PEMFC汽车。1995年3月，欧洲的第一辆50kW PEMFC的奔驰面包车已在进行道路运行测试。该车时速可达110公里，补充一次燃料可行驶250公里，车里可乘坐6人而不显拥挤。1999年3月奔驰公司展示了Necar-4型PEMFC电动车，它用液氢作燃料，一次充氢行驶里程可达450公里。目前，奔驰公司已开发Necar-4型小轿车和NEBUS大公共汽车。采用甲醇重整制氢的NECAR5即将面世，。

2000年4月7日奔驰公司网点新闻报道，该公司将在两三年内生产30辆PEMFC城市公共汽车。预计2002年将出售第一辆PEMFC公共汽车。价格为120万美元（125万欧元）。其中包括两年的维修费用。

宝马汽车公司最近推出了以天然气为基础燃料的燃料电池汽车，驾驶这辆车可以顺利的超车，其最高时速可达177公里。

1994年，德国HDW造船公司投资680万美元购买加拿大巴拉德研制的PEMFC，将其装在潜艇上，定型为212级潜艇。随后，德国海军就订购了四艘212级潜艇。据说，核潜艇可在水下潜行几周而不被发现。可以说，燃料电池潜艇是核潜艇以外常规潜艇的最佳侯选。

4）日本

1981至1990年期间，日本政府就设立了一个“月光工程”。目前，一个新的燃料电池工程—“新阳光工程”正在进行中。

1996年10月，丰田汽车公司宣布，他们已经开发成功新型PEMFC汽车。该车功率为20kW，最高时速大于100公里/小时，充氢一次行驶250公里。目前，该公司已生产出PEMFC的吉普车和小轿车。

从1980年起，日本就开始推广使用燃料电池机组发电。目前，世界上最大的一台燃料电池发电机就是由日本的东芝公司于1991年11月制造的。其装机容量已达到11MW。并打算在2010年利用燃料电池生产220万kWh的电能。

日本汽车保有量占全球第二位，数量为7300万辆，由于人口密集，国土狭小，石油几乎100%依靠进口，故除实施严格的汽车排放标准外，还十分注意代用燃料汽车的发展，特别是开发混合动力电动汽车已处于全球领先位置。在日本政府通商产业省的资助和各大汽车公司的努力下，日本制定雄心勃勃的研发、展示和推广燃料电池汽车的计划——日本氢能和燃料电池展示计划。参加这个计划的主要单位有丰田汽车公司、本田汽车公司等14家，从2001-2002年开始已有5个汽车公司开发燃料电池汽车进行路上实车试运行，并已建立了几个加氢站。日本经济产业省提出的发展目标是，在2010年前要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油发动机的水平，并且要首先从政府机关开始普及燃料电池车。

5）我国

我国是世界上从事燃料电池研究较早的国家之一，早在50年代出于航天事业的需要，一些科研单位即开始了这方面的研究。我国在“七五”、“八五”、“九五”期间都安排了相应的PEM燃料电池攻关项目，取得了一定的进展，并且根据《新能源和可再生能源发展纲要》，燃料电池技术被列入“新能源和可再生能源发展优先项目”之中。2001年，国家科技部更是将“燃料电池汽车”的研制开发工作列入了“十五”863项目，并加大了投入的力度，目前已研制出燃料电池客车用50千瓦燃料电池发动机系统和燃料电池汽车的功能样车。

2003年3月，“中国燃料电池公共汽车商业化”示范项目正式启动，这项总投入为3236万美元的项目，将采取全球招标的方式，购置12辆燃料电池公共汽车，在北京和上海两地进行为期五年、总里程160万公里的示范运行。届时，作为“绿色汽车”，运行趋于成熟的“电池大巴”将有望为2008年北京奥运会提供服务。