燃料电池技术的研究

燃料电池技术的研究

李楠 1 孙曦冉 2 刘可凡 2

1 海装北京局驻北京地区第四军事代表室，北京 100094

2中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094

摘要：燃料电池的研究和开发将为便携式电子设备带来深刻的变化，也会影响到汽车工业，住宅和社会集中供电系统。它将使人们进入新时代—从集中电源到分散供电。太阳能受天气和气候的影响；核能的利用存在的安全问题；燃料电池供电，无二氧化碳的排放，能够解决全球火力发电造成的环境污染问题，是一个纯粹的绿色清洁能源。燃料电池技术的发展将促进中国的经济建设和可持续发展的步伐。本文对燃料电池技术的研究进行了探讨。

关键词：燃料电池技术；应用；展望

引言

作为最具前景的能源技术之一，燃料电池的技术优势已日渐凸显。该项技术既经济又灵活，有效满足了市场需求，特别是分布式发电领域的需求。分布式发电及热电联产促进了燃料电池在电力系统中的应用，而燃料电池的应用则提高了分布式发电的效率与灵活性。近年来，环境污染问题得到了广泛关注，汽车排放与该类问题密切相关，而燃料电池在提高汽车电力系统的兼容性方面具有显著功效。因此，在公路运输领域，燃料电池的应用日渐广泛。

1 燃料电池的研究背景及工作原理

1.1 燃料电池的研究背景

能源问题是当今社会发展三大难题之一，而今已经越发严重。传统的能源利用方式，受到热机效率卡罗循环的限制，能源利用率不会超过40%，而燃料电池发电理论能量利用率可高达90%。其实，作为一种使用燃料进行化学反应转化电能的装置，早在1839 年英国Grove 就已经发明了。如今，其优势更加显著，燃料电池由此成为21 世纪的研究热点，也是各国政府重点支持的工程项目，可以说燃料电池的研发在21 世纪迎来前所未有的发展机遇。60 年代，燃料电池成功地应用于阿波罗登月飞船。从此以后，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域。日本自1981～1990 年进行集中研究磷酸盐燃料电池，目前5兆瓦级加压型和1兆瓦级常压型电厂已经投入运行。在全球环境保护问题日益突出的今天，燃料电池汽车作为环保型汽车越来越受到人们的重视。而近几年燃料电池汽车的发展势头大大超过了蓄电池电动汽车。尽管燃料电池大规模的商业化还存在各种各样的问题，但是它的研究还是进行的如火如荼。

1.2 燃料电池的工作原理

燃料电池本质上是一种电化学的发电装置，其组成与一般电池相同。单体燃料电池可以看作是由正负两个电极以及电解质组成。在燃料电池中，负极为燃料电极，正极为氧化剂电极。常用燃料可以是氢气、各种富含氢的气体如重整气和甲醇等，而氧化剂较为常用的是净化空气、氧气和一些液体如过氧化氢和硝酸的水溶液等。但是，与铅蓄电池、锂离子电池等常规蓄电池不一样的是，燃料电池工作时，氧化剂和燃料可以源源不断地由外部提供。这样可以把燃料电池看作一种能量转换装置，不断地将化学能直接转化为电能。理论上，只要燃料和氧化剂不断，反应不断发生，生成物不断排出，就可以实现持续发电。

燃料电池的种类有很多，依据工作温度的不同，可以分为低温、中温和高温三种类型；依据内部电解质的不同，又可以分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等类型；依据燃料的不同，汽车用燃料电池可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池、汽油燃料电池等。这各种各样的燃料电池类型不仅说明了它种类繁多，也代表着其较大的应用范围。燃料电池内部发生的是化学反应，电极就必然起着传递电子，形成电流回路的作用，但与普通电池不同，它的电极表面发生的是多相催化反应，电极表面只起到催化作用，电极本身不参与反应。

2 燃料电池分类

燃料电池有多种的分类方法。目前，燃料电池按照不同的电解液分是最典型的，共分为五种类型:

2.1 碱性燃料电池以KOH 溶液为电解液。这种电解液效率高（高达60%～90%），但气纯度受杂质影响，如二氧化碳很敏感。因此，氢和氧应该在操作中使用。这限制了它只能在空间飞行和国际工程中应用。

2.2 磷酸用作磷酸型燃料电池的电解液，在200℃的高温下。适用于分散式热电联产系统。

2.3 质子交换膜燃料电池是利用极薄的塑料薄膜作电解质。该电解质薄膜具有高功率、低重量比和低工作温度。

2.4 熔融碳酸型燃料电池工作温度可达650℃。这种电池效率很高，但同时也对材料的要求高。

2.5 固体氧化物燃料电池采用固体电解质，性能优良。他们需要使用相应的材料和工艺处理技术，因为电池的工作温度大约是1000℃。

3 燃料电池技术的应用

3.1 固定电站

燃料电池具有无污染、无噪音等优点。因此，可根据需要电站设置在任何地方，特别是住宅区和特殊需要（如军事设施）的电源。 此外，短距离电源消除了长距离传输问题——变电过程。从长远看，对能源结构，能源战略储备和国家安全的改变，其起着重要的意义。

3.2 交通运输等动力电源

在目前的技术状况下，燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池，在汽车、船舶等运输和其他能源领域如航空航天的市场前景非常看好。根据燃料的不同，燃料电池汽车可分为氢燃料电池、醇燃料电池和汽油燃料电池。在美国的一些城市，燃料电池被用来为汽车提供动，它们被用作德国潜艇的能源，在台湾有燃料电池电动自行车的例子。中国还成功研制出第二代燃料电池汽车。

3.3 移动电源

由于液体燃料直接进料如甲醇、乙醇、无重整装置，结构简单，体积小，方便灵活，燃料来源丰富，价格低廉，便于携带和储存，因此，电池材料作为移动电源，已成为国际研究和发展的重点。作为便携式小型电源，可应用于手机、笔记本电脑、掌上电脑等电子产品中。

摩托罗拉和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合开发了一种微型直接甲醇燃料电池，将有一天这种电池会取代目前各种电子产品所使用的传统电池作为电源，包括手机、笔记本电脑、手持相机、电子游戏机等。此外，燃料电池在一些医疗器械、传感器、智能机器人等方面也有着广泛的应用。

4 燃料电池技术展望

燃料电池的诸多优点不再赘述，它的应用前景也显而易见。在多种技术制约因素当中，以液体为燃料的燃料电池的核心是高性价比的催化剂。对于氢气燃料电池而言，氢气的储存和制备是其核心问题。对于后者而言，存在的是天然的缺陷，如果试图彻底决解其中的技术问题来获得较优的综合性能，只会变得更加复杂。而像甲醇、乙酸等燃料，可以直接从石油、煤、植物、农作物中提取，来源广泛。同时，像乙酸这种燃料，既是液体又是无毒的，在实际应用当中，既方便又安全，体积比能量也可以达到较高水平。

然而，找到高效廉价稳定的催化剂是它走向市场化关键性制约因素。现有的Pt 基或Pd 基合金催化剂，原料稀有价格昂贵，稳定性和寿命都不尽如人意。有关催化剂的理论复杂但也不完善，无法以理论来指导催化剂的合成制备工艺，只能更多地依赖于实验。生物体内的各种复杂的蛋白酶可以将葡萄糖里面的化学能慢慢转化释放出来的原理或许能给我们提供启发。

5 结语

总之，随着我国在燃料电池方面的投入不断加大。目前已初步掌握了整车、动力系统与关键部件的核心技术。基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车与燃料电池城市客车动力系统技术平台。也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC／DC变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系。但与先进国家相比。我国在燃料电池技术方面的发展相对迟缓，显现出一定的差距

参考文献：

[1]王吉华,居钰生,易正根,王凯.燃料电池技术发展及应用现状综述(下)[J].现代车用动力.2018(03)

[2]李猷民,冯迎春.质子交换膜燃料电池的关键技术[J].电子技术与软件工程.2018(06)