质子交换膜燃料电池发展前景探讨

新能源产业质子交换膜燃料电池发展前景探讨张丽彬　陈晓宁　吴文健　高洪涛解放军理工大学摘　要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。PEMFC作为新一代发电技术，以其特　　　　有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着PEMFC的技术不断提高和成本　　　　逐步降低，燃料电池在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原　　　　　理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态,探究了其较高的利用效率又　　　　不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的需要，进一步明确了质子交换膜燃料　　　　电池发展的广阔前景，其作为能源利用一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨　　　　大推动作用。关键词：质子交换膜燃料电池，PEMFC，分散电站　　0　引　言　　燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[1]。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能储电而是一个发电厂，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好的前景。　　1　质子交换膜燃料电池的结构　　质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。如图1。图1质子交换膜燃料电池　　2　质子交换膜燃料电池工作原理　　燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。　　其工作原理如下：　　1）氢气通过管道或导气板到达阳极。　　2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，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）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：1/2O2+2H++2e→H2O　　总的化学反应为：H2+1/2O2＝H2O　　电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。　　3　燃料电池的优点　　1）高效转化——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，其能量转化效率在40～60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上；　　2）启动迅速——低温快速启动，化学反应迅速，适应负载变化[2]；　　3）工作安静——燃料电池电池组无机械运动部科学研究ScientificResearch科学研究产业论坛IndustryForum新能源产业(含Pt)C(含Pt)C(含Pt)Ni(含Cr·Al)金属(含Cr·Al)阴极C/PTFE(碳/聚四氟乙烯)C(含Pt)·铂黒C(含Pt)NiO金属氧化物如LaMnO4导电离子OH-H+H+CO32-O2-燃料纯氢氢、甲醇、天然气氢、天然气氢、煤氧沼气、天然气氢、煤氧沼气、天然气池体材料合成树脂石墨石墨镍·不锈钢陶瓷操作压力60psia30psia120psia120psia常压电池内重组可能性不可能不可能可能非常可能非常可能特性启动快启动快、与常规电池比较贵热电效率相对较低启动时间长、腐蚀性电解液受电池外形设计、腐蚀性材料限制电效率60-70℅43-58℅37-42℅50℅50-65℅件，运动部件很少，工作时安静，噪声很低；　　4）可靠性高——碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用；　　5）环境友好——低热辐射和低排放，运行温度低于100℃，以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为新能源产业水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的；　　6）功率可调——适应不同功率要求，燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组，根据需要的功率大小，来选择组装的层数。　　4　燃料电池的种类　　燃料电池种类较多，依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。它们的结构成分及属性如表1。　　5　燃料电池的应用前景　　燃料电池既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。燃料电池产业的技术发展趋势，主要是在三个级别上针对不同的市场需求而齐头发展，100W～10KW电池面向民用，是移动基站、分立电源、潜艇、电动自行车、摩托车、游艇及场地车等的较佳动力源；10KW～100KW电池是电动汽车的首选动力源，是整个燃料电池产业发展的方向；100KW以上电池是特殊条件下电站动力源，如军用、边远地区等用途。　　5.1　PEMFC在便携式电源方面的应用发展　　PEMFC作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源。　　根据各国的社会、工业环境以及能源供需的不同，每个国家质子交换膜燃料电池在电动车的发展方向是不同的，美国和日本主要研究集中在燃料电池轿车方向，欧洲主要研究燃料电池公共汽车，中国的燃料电池脚踏车和轻型燃料电池轿车有很大前景。其中影响最大的开发项目有两个：一个是由美国DOE组织的国家PEMFC研究机构，一个是以加拿大Ballard动力公司的技术为支持、由奔驰、福特等公司支持的PEMFC电动汽车项目。　　在2003年，Folkessonetal.通过欧洲清洁城市运输计划(CUTE)完成了混合燃料电池城市公共汽车的评估，这个计划的目标是设计并建立混合燃料电池公共汽车示范车，它由欧洲无核能源规划和一些企业及院校联合提供资金支持。目前，丰田汽车公司宣布投资8亿美元开发非石油燃料发动机，即氢燃料电池汽车。　　Greencar是美国EnergyPartners公司在DOE的支持下于1993年开发出的世界上第一辆PEMFC驱动的“绿色汽车”，该车的功率为15kW，0～30m/h的加速时间为10s,最高时速达60m/h，一次充氢行驶里程为96km。　　2004年，Hwangeta1.发布了PEMFC电动脚踏车示范车的测试结果，研究脚踏车的动机是因为在中国每日上下班普遍骑助力脚踏车。燃料电池系统由燃料电池堆栈、金属氢化物容器、空气泵、电磁阀门、冷却风扇、压力和温度传感器和微处理器组成。电堆由40片单电池组成，其额定功率和最大功率分别为303W(0.7V)和378W(0.66V)。电堆不仅驱动脚踏车的电动马达还为其它子系统提供能量。在此结果的基础上，他们开始研发两座位的轻型燃料电池车，尽管成功完成了示范车，但还没能解决一些经济和技术问题。　　国内燃料电池的研发起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而发展很慢，直到90年代才开始加快发展。目前燃料电池动力系统发展趋势很好，已具有从过去单电堆研究发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统的研发能力。国内燃料电池汽车领域已经取得了较大的进展，其中首台50kW燃料电池城市客车发动机已经研制成功，首台四轮驱动燃料电池轿车也在2002年12月初举行的上海工业博览会上亮相，但距真正的实际运用还有一段距离。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划,在2009年2月财政部公布的《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》中,曾明确对购买燃料电池汽车每辆可补贴25万元。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。新能源产业　　5.2　PEMFC在固定式电源方面的应用发展　　PEMFC除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可与电网系统互联，用于调峰也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防（人防）发供电系统电源。采用多台PEMFC发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系统有很多优点：　　１）可省去电网线路及配电调度控制系统。　　２）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可就近安装，PEMFC发电所产生的热可进入供热系统），可使燃料总利用率高达80%以上。　　３）战争和自然灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要。　　４）通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于边远地区、人所），使系统建设成本和运行成本降低。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。　　华南理工大学独立研发的300kw质子交换膜燃料电池示范电站于2009年年底已悄悄启用，项目投资1850万元，占地仅2000平方米,是一个“微型”的发电厂。如图3。该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，能量利用率可达90%。目前这一项目已得到华电、粤电的“青睐”,相关部门正在洽谈在大学城建设一个6000～10000千瓦燃料电池发电厂，而华工的教授也计划将广州的公交车能源更换为燃料电池。　　５.3　PEMFC在军事方面的应用发展　　随着现代科学技术的迅速发展及其在军事领域的广泛应用，以数字化技术为核心的新兴信息技术将渗透图3质子交换膜燃料电池示范电站到战场的各个领域，从侦察、监视到预警，从通信、指挥到控制，从武器装备的自动化、精确制导和智能化到各种电子战手段，信息技术装备已经成为覆盖整个战场的、决定战争胜负的重要因素，它不仅构成总体作战的“神经系统”，而且成为总体作战能力的“倍增器”。电源作为信息技术装备的命脉，能否连续、可靠、安全、灵活地供电是至关重要的，它是信息技术装备密不可分的一部分。由于PEMFC发电机的诸多优越性能，国外将PEMFC应用于陆地军事设备研究主要有三个方向：单兵作战动力电源（100W）、移动电站（100W-500W）和军车动力驱动电源（500W-10kW）[3]；海军军事设备上应用分为海面舰艇辅助动力源、水下无人驾驶机器人电源和潜艇的驱动电源；空中军事应