黃莎華，劉之景，王克逸

(中國科學技術大學近代物理系　精密機械和精密儀器系 合肥 230026)

摘要：燃料電池是一種將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。它不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高，是當今世界發達國家競相研制開發的一種新型發電技術。本文綜合介紹了燃料電池的工作原理、分類、開發現狀及其發展趨勢。

現在我們賴以生存的能源體系中，80%都依靠化石燃料——煤和石油。煤和石油是不可再生資源，會很快被用盡，且煤和石油的大量使用，使得全球氣候產生異常變化，環境污染日益加劇[1]。隨著世界人口的增長及發展中國家和發達國家消耗能源迅速增加，估計在今后十年，全球對能源的需求將增加40%。燃料電池有其獨特優勢，例如，將燃料電池用于交通工具，則這些國家的污染物排放量將減少40%～99%。燃料電池能大大減少CO2的產生量，幫助許多國家實現他們的京都目標，所以它越來越受到各國的重視。特別是以氫/氫化合物為燃料的可直接發電的燃料電池更以其設計簡單、重量輕、能源利用率高、經濟實惠而倍受青睞[2]。

燃料電池的發展已有很長的歷史[3]。1839年，Grove爵士通過將水的電解過程逆轉而發現了燃料電池的原理。它能夠從氫氣和氧氣中獲取電能。由于氫氣在自然界不能自由地得到，在隨后的幾年中,人們一直試圖用煤氣作為燃料，但均未獲得成功。1866年，Siemens發現了機電效應。這一發現推動了發電機的發展，并使燃料電池技術黯然失色。直到20世紀60年代，宇宙飛行的發展，才使燃料電池技術重又提到議事日程上來。出于保護環境的能源供應的需求，激發了人們對燃料電池技術的興趣。現在，美國軍方計劃在特種基地安裝幾百臺燃料電池發電機，日本取消了建造兩座特種的計劃，爭取在2010年前用燃料電池承擔220萬千瓦的發電量??。這一切均表明，燃料電池在新世紀中必將深受寵愛，發展前景燦爛輝煌！本文概括介紹了燃料電池的工作原理、分類、開發現狀及發展趨勢[4]。

1燃料電池的工作原理、分類及開發現狀

1.1燃料電池的工作原理

燃料電池，雖有燃字當頭，實際上能量的獲得并不是通過燃燒，而是由氫氣和氧氣在空氣中進行化學反應生成電能。它與一般電池不同之處在于燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是起催化轉換作用。所需燃料(氫或通過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)由外界輸入，原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續放電。因此燃料電池是名符其實的一種將貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。它不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制。

這里以質子交換膜燃料電池為例來說明它的工作原理：從陽極處的氫氣中抽取電子(氫氣被電化學氧化掉，或稱燃燒掉了)，發生反應H2→2H++2e-。這些負電子經外電路到達導電的陰極，同時余下的氫離子通過質子滲透膜被送到陰極。在陰極，氫離子與氧氣發生反應并從陰極吸收電子，發生以下反應1/2O2+2H++2e-→H2O，其電極總反應為1/2O2＋H2→H2O(如圖2所示)。這一反應的產品是電流、熱量和水。圖1～3為幾種燃料電池的工作原理示意圖[4,5]。

另外，僅有燃料電池本體還不能維持工作，還必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等?？窟@些輔助系統，燃料電池本體才能得到所需的燃料和氧化劑，并不斷排除燃料電池反應所生成的水和熱。

1.2燃料電池的分類

目前已開發了的低溫燃料電池(60～120)℃(如堿性燃料電池(AFC)、質子交換膜(PEMFC)或固態聚合物燃料電池(SPFC))，中溫燃料電池(160～220)℃磷酸燃料電池(PAFC))以及高溫燃料電池(600～1000)℃(如熔融碳酸燃料電池(MCFC)和固態氧燃料電池(SOFC))等三類五種電池。這五種電池的特征及應用總結見表1。

堿性燃料電池(AFC)的電解液效率很高(可達60%～90%)，但對影響純度的雜質如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態氫氣和氧氣。它在太空飛行中的應用倍受關注，因為空間站的推動原料是氫和氧，反應產物飲用水，對空間環境不造成任何污染，同時還可提供宇航員使用[6]。

由于磷酸易得，反應溫和，磷酸鹽型燃料電池(PAFC)成為發展最快、研究最成熟的一種燃料電池。現在新發展的二度空間PAFC的穩恒態模型，將促進PAFC的進一步開發[7]。目前美國已有少量銷售PAFC，其商品化階段已經開始。熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)在所有的燃料電池中電壓效率最高[8]。據最新研究在沒有Ni短路的情況下，它甚至能在12～15大氣壓的高壓下工作超過40000h。MCFC現在正處于10～20kW向兆瓦級發展階段[9]。研究表明電池裝置的結構對系統的效率有很大的影響，而系統的尺寸和操作條件的影響相對小得多。今后開發的重點應放在裝置構造上。1994年12月美國已建成迄今最大功率為250kW的MCFC電站[10]。

聚合物電介質燃料電池(PEMFC)不僅是人造衛星上可靠、低成本的動力源，還可作為陸地上市區交通車輛和水下特種的動力源[11]。由于它有很高的能量密度，現已成為汽車領域的熱點[12]。由中國科學院大連化學物理研究所研制的50千瓦質子交換膜燃料電池城市客車發動機，2002年10月10日通過了科技部組織的專家組測試考核。清華大學汽車研究所的標準工況實際測試考核表明，這臺發動機氫氣利用率高達97%，電池組發電效率達57%，發動機效率大于42%。

各項指標接近國際先進水平[10]。美國至今已開發的具有代表性的運輸用燃料電池公共客車、轎車已達30多種。預計，2020年聚合物氫氣燃料電池將發動百萬臺汽車[13]。

固態氧化物燃料電池SOFC正在積極研制開發中，它是高溫下先進的電化學反應器。其單個電池的性能不僅取決于材料本身的性能，還與電極/電極界面的各自微結構裝配技術有很大關系[14]。目前美國已有5kW的SOFC產品出售[15]。一些公司還打算把SOFC和儲氫合金結合起來，用于開發汽車用燃料電池。高溫固體氧化物燃料電池直接把化學能轉化為電能，不經過中間環節，減少能量的損失，發電效率達50%以上，總發電率可達到85%以上。燃料使用面廣，余熱利用率高。但這種電池由于電解質電導率不高，必須在高溫下操作，連接密封材料必須使用鉑等稀貴金屬，電池成本隨之大大增加。據報道，目前中國科技大學無機膜研究所已經研制成功的新型中溫陶瓷膜燃料電池，是一種以陶瓷膜作為電解質的燃料電池。電池部件薄膜化以后，降低了電池的內阻，提高了有用功率的輸出，從而不需要高溫的條件，實現了中溫化，操作溫度降到700～500℃。這種新型燃料電池繼承了高溫SOFC的優點，同時降低了成本。倫敦帝國大學的一家派生公司已開發了一種中溫的SOFC，它能提供安全連續的能源，并配有可移動的輔助電池組，以便自由應用，這種電池可靈活地用甲烷、甲醇、乙醇或純凈的氫氣為燃料[16]。

2燃料電池的應用優勢及展望

在上世紀60年代初，堿性燃料電池用于太陽神阿波羅太空飛船，標志著燃料電池技術成為民用。燃料電池可在1s之內迅速提供滿負荷動力，并可承受短時過負荷(幾秒鐘)。其特性很適合作為備用電源或安全保證電源。為實現這些動態特性，在供電時必須有獨立的氫氣來源。現在，燃料電池作為環境保護和高效發電系統而倍受關注。各國都在加緊燃料電池的開發[17]。

首先，由于燃料電池的成本已降低到只有燒礦物燃料電站的2倍，所以，第一個成熟的生產產品是燃料電池發電機。當前，一些燃料電池制造廠家如巴拉德公司，正研發可供普通居民使用或便攜式的燃料電池發電裝置。美國的H動力公司已開發出45kW的燃料電池發電機。位于美國康涅狄格州的國際燃料電池公司，現已設計出了使用天然氣、可發出200kW電力的燃料電池發電機。該名為PC25的發電機可滿足中等規模辦公樓電力需求。燃料電池發電機之所以具有如此大的吸引力，是因為它與傳統的火力發電、水力發電或核能發電相比，具有無可比擬的優勢：

(1)燃料電池的能量轉換效率高，其有效能效可達60%～70%，其理論能量轉換效率可達90%。而目前汽輪機或柴油機的效率最大值為40%～50%，當用熱機帶動發電機時，其效率僅為35%～40%，其他物理電池，如溫差電池效率為10%，太陽能電池效率為20%，均無法與燃料電池相比。而且，據最新報道，Cao等[18]已研究了一套能量恢復系統，它能恢復燃料電池堆中損失的熱量，提高燃料電池的利用率。此系統可使燃料電池的能量提高40%，而且，從電池堆中損失的熱量90%都能恢復。

(2)比能量或比功率高。

(3)適用能力強,可以使用多種多樣的初級燃料。如天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油；也可使用發電廠不宜使用的低質燃料，如褐煤、廢木、廢紙，甚至城市垃圾，但需經專門裝置對它們重整制取。

(4)污染小、噪聲低,能大大減少污染排放。特別是氫燃料電池，其發電后的產物只有水，可實現零污染,是今后研究的重點?，F已開發了25kw的凈化甲醇的燃料加工器，它產生氫氣的速度可達25nm3/h，所得氫的純度為99.9995%[19]。另外，由于燃料電池無熱機活塞引擎等機械傳動部分，故操作環境無噪聲污染[20]。

(5)高度可靠性。燃料電池發電裝置由單個電池堆疊至所需規模的電池組構成。由于這種電池組是模塊結構，因而維修十分方便。另外，當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應，故無論處于額定功率以上過載運行或低于額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。這種優良性能使燃料電池在用電高峰時可作為調節的儲能電池使用。

其次，近年來，燃料電池汽車也脫穎而出，成為現有各種汽車強有力的競爭對手，主要原因是其具有的優點倍受青睞。燃料電池汽車的三大優點[21]：

(1)低排放。燃料電池通過電化學的方法，將氫和氧結合，直接產生電和熱，排出水，而不污染環境。以甲醇、汽油等為燃料的燃料電池汽車雖也產生二氧化碳，但其排放量比內燃機的要少得多，且沒有其它污染排放(如氧化氮、氧化硫、碳氫化物或微粒)問題。

(2)燃料多樣化。燃料電池所使用的氫可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利于能源供應安全和利用現有的交通基礎設施(如加油站等)。

(3)效率高及性能高。由于燃料電池沒有活塞或渦輪等機械部件及中間環節，其效率大為提高，約為內燃機的2～3倍。燃料電池汽車在成本和整體性能上(特別是行程和補充燃料時間上)也明顯優于其它電池的電動汽車。

不久前在美國底特律舉辦的汽車展覽會，更成了燃料電池欣欣向榮、蒸蒸日上的轉折點！參加展覽的各大著名公司：通用、福特、本田、豐田等一致看好燃料電池，并表示在2003～2004年內首批燃料電池電動汽車將行駛在馬路上！

燃料電池今后的發展方向除了電動車輛(包括公交車輛、拖拉機、叉式裝卸機、高爾夫車和特種車輛等)和熱電站外，另一方向是使燃料電池小型化[22]。由于燃料電池與普通電池相比具有能源和裝置靈活，壽命及待機時間長，生態平衡好，自身排放低等優點[23]，今后它將替代普通電池在膝上電腦、便攜式電子器件等方面應用。據《科學美國人》報道，美國洛斯阿拉芙斯國家實驗室霍克最近研制成功微型燃料電池[24]，其電池尺寸和價格可與傳統的鎳鎘電池相比，重量僅為鎳鎘電池的一半，但供電能力為鎳鎘電池的50倍。預期這種微型燃料電池用于移動電話，可連續待機40d，而僅消耗不到2盎司的甲醇。霍克目前正把微電子技術引入微型燃料電池制作中，準備制作25µm厚的微型電池。另外，還有把燃料電池用于電子廣告牌和電動自行車的報道[25]。

但是，在燃料電池得到廣泛應用之前，必須解決其費用問題。降低價格的關鍵障礙是產生電力的排氣管和把氫從天然氣中分離出來的微型化學工廠——重整爐。二者都用極為昂貴的鉑作催化劑來加速化學反應。過去5年中，制造商已經把燃料電池裝置中使用的鉑減少了1/8，其主要途徑是設計需要較少鉑的系統并把鉑與較為便宜的金屬熔合。但是為了大幅度降低燃料電池的成本，他們還需要進一步減少鉑的用量。當然，除了必須解決成本問題以外，制造商們還應設法減少現有燃料電池的體積以及提高它們的耐久性。

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