淺談新型清潔能源燃料電池

    學術交流

    作者：張勇　曹坤

    【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能：清潔高效，電效率可達60%以上，而且可以在帶著部分負荷運行的情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹了燃料電池的原理及分類，重點說明了其產品性能及應用前景。

    【關鍵詞】清潔；高效；燃料電池

    燃料電池將燃料的化學能用化學方法直接轉換成電能的發電裝置，它利用水電解的逆反應原理，通過由電解液分隔開的2個電極中間的燃料（如天然氣、甲醇或純淨氫氣）的化學反應直接產生出電能。由於燃料電池不是熱機，它不需承受熱機的熱力學損失項目，因此理論上它可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由於種種技術因素的限製，再考慮整個裝置係統的耗能，總的轉換效率在45%60%範圍內，如考慮排熱利用可達80%以上。此外，燃料電他裝置不含或含有很少的運動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統發電機組安靜。另外電化學反應清潔、完全，很少產生有害物質。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發展前途的能源動力裝置。

    一、燃料電池的分類

    目前研製的燃料電池技術在運行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達1000℃的範圍。大多數工業集團公司的注意力集中在以下4種主要類型上：

    （1）運行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池（PEMFC）；

    （2）運行溫度在160-220℃之間的磷酸類燃料電池（PAFC）；

    （3）運行溫度在620-660℃之間的熔融碳酸鹽類燃料電池（MCFC）；

    （4）運行溫度在880-1000℃之間的固體氧化物燃料電池（SOFC）。

    可以將這些類型的燃料電池劃分為低溫型（100℃及以下）、中溫型（約200℃左右）及高溫型（600-l000℃）燃料電池。中溫型和高溫型燃料電池適於用在靜止式裝置上，而低溫型燃料電池對於靜止裝置和移動式裝置都適用。實用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動電話供電（數以W計），也可以給居民住宅（數kW）或是分散的電熱設備和動力設備（數百KW到數MW）供電。

    二、低溫燃料電池

    低溫燃料電池產品常用的有質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）和氫燃料電池等，上述電池產品都可以在室溫下運作。

    其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）具備體積小、重量輕、方便電池堆設計等優點，而且無須電源、穩壓器充電，補充供電燃料也僅需數秒鍾時間，為使用者提供極大的方便，可用作便攜式電子設備如手機、筆記型計算機、個人數字助理（PDA），乃至數字相機及攝影機等的電源，具有廣闊的應用前景。

    目前日本夏普公司在直接甲醇燃料電池（DMFC）方麵取得了快速進展，創造了該類型燃料電池的功率密度新高，達到0.3W/cc，功率密度是普通堿性電池的30倍，鋰電池的6倍；而日本鬆下公司研究開發的家用聚合物電解質燃料電池（polymer electrolyte fuel cell，PEFC）可以使用4萬個小時和4000個循環使用周期，這種家庭電源使用的電池組產品即將投入量產。

    氫燃料電池常用作新型汽車能源，氫燃料電池車也一直被認為是未來汽車發展的方向。這種車不需要汽油，而是靠氫氣化學反應後產生的電流驅動，排放出來的是純淨的水。正因為具有低能耗、零排放的特點。目前歐美日韓等國的氫燃料汽車已經進入商業化階段，我國雖起步較晚，但對汽車用氫燃料電池方麵的研究進展迅速，由上海開發的氫燃料電池車超越三號的燃料電池體重不過275公斤，功率則達到了50千瓦，最高時速也超過了120公。

    三、中溫型燃料電池

    目前磷酸類燃料電池（PAFC）是開發時間最長、具有最先進技術的燃料電池。80年代，IFC（國際燃料電池公司）決定對其前期商業化生產線進行投資，製造和銷售200kW的PAFC裝置，並將其投入市場。東芝公司在80年代末就已經努力使PAFC技術進入商用市場。從此，PAFC技術就一直在靜止燃料電池的市場中占據著顯赫的位置。迄今為止，全球已經安裝了500多台套PAFC燃料電池裝置。

    研究表明，這種燃料電池未能實現市場商業化的原因大致有以下幾方麵：

    （1）電效率最高為40%，超過維修期限後會降到35%甚至更低水平。通常情況下設備的使用期限不超過20000運行h。

    （2）有些試驗性的設備如東芝公司管理的1套11MW設備未能達到頂期的性能水平。

    （3）美國和日本政府大幅度削縮用於PAFC技術研究和開發的投資。

    （4）從迄今積累的經驗及在改善設計參數和降低產品成本方麵的潛力來看，讓PAFC技術成功地躋身於當今的市場中的可能性是極低的。