鉅大LARGE | 點擊量：6403次 | 2018年08月03日
燃料電池的種類及其應用
中國儲能網訊：面對日益凸顯的能源和環境問題，世界各國早已經達成了謀求綠色可持續發展道路的共識。燃料電池作為新能源技術領域的熱點，被普遍認為是一種高效清潔的新型發電方式，可靈活地為交通工具、家用電器、特種航天等提供動力。
本文來自2017年4月28日出版的《科技導報》，原標題為《燃料電池驅動未來》主要概述了燃料電池的發展歷程、發電原理及現實應用等，重點介紹了目前燃料電池技術的發展與應用（5種燃料電池），作者是中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院的葛奔教授和科技導報社編輯部的祝葉華。
能源是人類社會向前發展的源動力，能源技術的發展是衡量一個國家經濟發展水平和生活水準的重要指標之一。人類社會的每一次進步都與能源技術的突破與創新不可分割。但現有的能源結構及人類的不合理利用，給人類社會帶來「重創」：酸雨、溫室效應、全球氣候變暖、空氣污染、臭氧層破壞等環境問題在一步步「逼迫」人類重視能源結構的轉型。而尋求高效、清潔和可持續發展的新能源技術也是全球各國必須面對和重視的問題。
燃料電池（FuelCell，FC）是一種能有效控制燃料和氧化劑的化學反應，并將其中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，是一種把燃料中的化學能轉換成電能的能量轉換器，被譽為繼火電、水電及核電之外的第4種發電方式。燃料電池雖然名叫「電池」，但實際和電池是有區別的，電池屬于儲能器范疇，而燃料電池不儲能，本質上只是一個能量轉換器，更像是一臺「發電機」。
與傳統發電方式相比，燃料電池有其特殊之處：在反應過程中，燃料電池能量轉換過程無明火燃燒活動，所以能量轉換效率不受「卡諾循環」限制。除此之外，燃料電池還具有燃料多樣化、噪音低、排氣較清潔、對環境污染小、維修性好以及可靠性高等優點[1]。
圖1燃料電池直接發電與傳統間接發電對比
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1為日本松下電器市場調研后得出的燃料電池直接發電與傳統間接發電的比較數據（4口之家的年耗電量對比），相對于傳統間接發電，單個家庭通過燃料電池發電的能量消費方式1年可以節約3734kW·h的電量[2]。經過多年的發展，目前燃料電池已逐漸應用在民用、交通、特種等領域。
1.燃料電池發展歷程
作為第4類發電技術，燃料電池曾被《Time》列為21世紀高科技之首，被認為是21世紀能源之星。從19世紀初開始，燃料電池的概念逐漸在能源領域「嶄露頭角」，經歷了200多年的發展[3]，其發展源頭需追溯到電化學現象的發現：
Volta是首位觀察到電化學現象的科學家，他與Ritter共同被尊為電化學的奠基人；
1839年，英國科學家Grove在水的電解過程中發現了燃料電池原理，并發表了第1篇有關燃料電池的文章，介紹了燃料電池的原理性實驗；
1889年，Mond和Langer改進了Grove的發明，利用浸有電解質的多孔非傳導材料作為電池隔膜，以鉑黑充為催化劑，通過鉆孔的鉑或金片為電流收集器組裝出以氫和氧為燃料和氧化劑的燃料電池；
20世紀50年代，美國通用電氣公司發明了首個質子交換膜燃料電池；
1959年，Bacon制造出第1個可以工作的培根型燃料電池（AFC），Allis-Chalmers公司推出了第1臺以燃料電池提供動力的農用拖拉機；
20世紀60年代，美國特種航天管理局（NASA）在阿波羅登月飛船上首次使用燃料電池作為主電源，燃料電池因此為人類的登月做出了「卓越的貢獻」。自此之后，燃料電池技術的研究引起各國重視，開始步入快速發展階段[4]。
20世紀70年代之后，在環境保護和能源需求的雙重壓力下，尤其是1973年石油危機的爆發，讓世界各國開始正視能源的重要性，更加激發了科學家對燃料電池技術的研發熱情，第1代燃料電池（以凈化重整氣為燃料的磷酸型燃料電池，PAFC）、第2代燃料電池（以凈化煤氣、天然氣為燃料的的熔融碳酸鹽型燃料電池，MCFC）和第3代燃料電池（固體氧化物電解質燃料電池，SOFC）相繼被開發。
1993年，加拿大BallardPowerSystem公司推出世界上首輛以質子交換膜燃料電池為動力的車輛，燃料電池開始進軍民用領域。20世紀90年代，燃料電池作為清潔、廉價、可再生的能源使用方式逐漸由實驗室走入「尋常百姓家」[4]。目前，世界上許多醫院、商場、學校等公共場所都安裝了燃料電池供電，各國的汽車制造商也開始研發各種以燃料電池為動力的新能源車輛。
美國、日本、加拿大、歐洲及澳洲在燃料電池的研究和應用領域處于世界前列，中國從20世紀50年代，也開啟了燃料電池的研究，在20世紀70年代，中國的燃料電池研究達到高潮，但后來大踏步的熱情被一度中斷，20世紀90年代，在國際能源需求告急以及國內環境惡化的情況下，中國的燃料電池開發再度成為熱門領域[5]。
2.燃料電池原理
燃料電池歷經200多年的發展，如今已逐步走出實驗室，融入到人類社會生活中。不同種類的燃料電池憑借著各自的性能優勢在不同領域「大放異彩」，但其原理都是相通的。燃料電池單體由3部分構成：陽極、陰極及電解質。其「發電」過程可大致分解為以下4個步驟（工作原理如圖2所示[6]）：
圖2燃料電池發電原理
在陽極催化劑作用下，燃料氣（氫氣、甲烷、甲醇等）發生氧化反應，生成陽離子并給出自由電子；
在陰極催化劑作用下，氧化物（通常為氧氣）發生還原反應，得到電子和陰離子；
陽極反應產生的陽離子或陰極產生的陰離子通過電解質運動到對電極上，生成反應產物并排到電池外；
在電勢差的驅動下電子通過外電路從陽極運動到陰極，這樣整個反應過程達到物質平衡和電荷平衡，外部用電器獲得了燃料電池所提供的電能。
雖然不同類型燃料電池的基本原理是相通的，但通常由于電解質不同，所允許通過的載流子也不同，因而對應的電池反應會存在一些差異。
3.燃料電池分類
根據電解質的不同，燃料電池可以分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）5種，其性能比較和發電原理如表1[7-8]所示。
表15種燃料電池性能比較
目前5種燃料電池分別各自處于不同的發展階段，除此之外，燃料電池還有幾種特殊的類型：直接甲醇燃料電池（DMFC）、再生燃料電池（RFC）和直接碳燃料電池（DCFC）。
4.燃料電池的應用
燃料電池提供了一種提高能源利用率、減少廢棄排放的新型發電模式，其自身獨特的優勢決定了燃料電池在新一輪能源革命中的重要位置。
圖3不同功率的燃料電池應用領域
根據燃料電池的規模，不同功率大小的燃料電池有基本固定的應用領域，如圖3所示[9]。根據燃料電池的分類，不同類型的燃料電池由于工作溫度、燃料適應性不同也有分別各自的應用空間。
4.1質子交換膜燃料電池（PEMFC）
質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）是目前最接近商業化的燃料電池，也是未來最有希望為新能源汽車提供動力的電池。PEMFC單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，質子交換膜作為傳遞H+的介質，只允許H+通過，其結構圖如4所示[10]。
圖4PEMFC燃料電池結構
美國通用公司為了給雙子星座提供動力源，最早在1960年就開發出了PEMFC，但是后期由于性能不佳，該電池方案輸給了堿性燃料電池（AFC），最終沒有得以應用。1970年，美國杜邦公司研發出全氟磺酸膜（Nafion膜），它是性能最好的質子交換膜，為后期PEMFC的快速發展奠定了基礎。盡管如此，由于其他類型燃料電池在該歷史時期取得的突破，導致PEMFC失去了優勢，研究出現了一段很長的低谷期。
圖5巴拉德氫燃料電池客車
圖6巴拉德質子交換膜燃料電池
直到1980年代，電池技術和材料的發展和石油的短缺促使PEMFC又迎來一輪新研發熱潮，研究人員開始嘗試將PEMFC應用于汽車電源。PEMFC在20世紀90年代發展迅速，尤其是作為便攜式電源和機動車電源，整體發展受到了氫燃料電池車行業的帶動（圖5[12]、圖6[13]）。1993年，以PEMFC驅動的公共汽車問世，由Ballard公司（BallardPowerSystemInc.）研制，該公司于2001年建成了世界上第1座PEMFC燃料電池廠。
圖7質子交換膜燃料電池特種
（圖片來源：百度圖庫）
除此之外，PEMFC燃料電池在特種領域也大有作為，2003年4月7日，世界上第1艘現代化的AIP質子交換膜燃料電池特種（德國馬克的212A型U31特種）誕生（圖7）。在2008年北京奧運會和2010年上海世博會上，中國自主研發的燃料電池轎車和客車也已成功示范運行。
在所有的燃料電池類型中，PEMFC的工作溫度最低，也是發展規模最大的一種。FuelCellToday統計數據顯示，2005-2010年，在小型電源領域，國際上有超過15萬套燃料電池交付使用，總功率遠超15MW，而在這其中，有96%是PEMFC。同時，PEMFC在交通領域也被「寄予厚望」，全球幾乎所有的汽車制造商都在致力于燃料電池汽車的研發[14-15]。
4.2固體氧化物燃料電池（SOFC）
固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化成電能的全固態化學發電裝置，屬于第3代燃料電池，被認為未來會與PEMFC一樣得到廣泛普及應用。
與其他燃料電池相比，SOFC的研究起步較晚：
1899年，Nernst發現ZrO2在600~1000℃下可以傳導離子，由此拉開了SOFC燃料電池研發的序幕；
1937年，Baur和Preis制造出第1個小型氧化鋯燃料電池；
1962年，美國西屋電氣公司的Ruka和Weissbart發文介紹了氫氧SOFC的特性，指出了烴類燃料在SOFC內完成燃燒的催化轉化和電化學反應的2個必要的基本反應過程；
1970年，氧化鋯作為氧濃度傳感器應用在汽車尾氣檢測中，也間接推動了SOFC的發展[1]。
20世紀70年代的石油危機為SOFC的發展提供了機遇，美國能源部也和西屋公司合作，開始大力發展管式SOFC發電裝置；
1986年，美國田納西州試運行了400W管式SOFC燃料電池組；
1989年，日本東京和大阪煤氣公司分別安裝了3kW級列管式SOFC發電機組，且機組連續運行了5000h，這是SOFC從實驗室走向商業化發展的重要標志。
目前，中國的SOFC研究工作目前還處于起步階段，中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學技術大學、清華大學、吉林大學、中國科學院化工冶金研究所、華南理工大學等是國內主要從事SOFC研發的機構和高校[1]。
圖8平板式SOFC電池
圖9管式SOFC電池
SOFC從結構上主要分為平板式（圖8）[8]和管式（圖9）[13]2種，此外還有一些異型結構，如扁管式。
圖10SOFC與氣體渦輪機聯動發電系統
管式SOFC是最早被研究也是目前最接近商業化的發電技術。2002年5月，西門子西屋公司與加州大學合作，在加州安裝了第1套SOFC與氣體渦輪機聯動發電系統（圖10）[16]，能量轉化效率高達58%。除了西屋公司外，日本三菱重工長崎造船所、九州電力公司和東陶公司、德國海德堡中央研究所等也進行了kW級管狀結構SOFC發電試驗。
平板式燃料電池在21世紀初期開始與管式燃料電池形成競爭力。加拿大的Global熱電公司在中溫平板型SOFC研發領域具有重要的地位。中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學院大連化學物理研究所、清華大學、中國科技大學等國內眾多研究單位也在進行平板型SOFC的研發。
圖11e-BioFuel-Cell生物燃料電池概念車
2016年8月4日報道稱，日產公司推出e-BioFuel-Cell固體氧化物生物燃料電池概念車（圖11）[17]，這是世界首款固體氧化物燃料電池車，利用純生物乙醇發電，污染較小。
4.3熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）
熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）是采用堿金屬（Li、Na、K）的碳酸鹽作為電解質的燃料電池。MCFC燃料電池與其他燃料電池的區別在于：為避免電解質碳流失，反應中需用到CO2，CO2在陰極消耗，在陽極再生成，循環使用。實際的MCFC燃料可由石油、煤、天然氣等轉化產生的富氫燃料氣代替，這是MCFC的優勢。
圖12位于美國丹伯里的MCFC燃料電池機組
（圖片來源：FuelCellEnergy）
美國的MCFC主要由FuelCellEnergy（FCE）開發，目前已實現小范圍的商業化應用。20世紀60年代，FCE公司就為美國陸軍制造了MCFC燃料電模塊用于特種領域[18]，而今，在美國的部分州，FCE公司的MCFC燃料電池機組（圖12）[19]也逐漸開始啟用。
日本的MCFC燃料電池技術研發始于1981年的「月光計劃」，1991年后轉為重點，主要研發者是東京電力公司、關西電力公司等。德國的MCFC燃料電池主要由DaimlerChrysler公司的子公司MTU承擔。韓國主要由韓國電力公司研究院和韓國科學技術研究院進行外部改質型MCFC的研發。
圖13MCFC發電系統
（圖片來源：中國華能集團公司）
2001年，中國成功進行了熔融碳酸鹽燃料電池組的發電試驗。2014年12月，華能清能院煤氣化及多聯產技術部制氫與燃料電池實驗室2kW熔融碳酸鹽燃料電（MCFC）發電系統運行成功（圖13），峰值輸出功率達到3.16kW，是目前國內輸出功率最大的MCFC燃料電池發電系統。
4.4堿性燃料電池（AFC）
1902年，堿性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）的概念最早出現在美國專利上。20世紀40-50年代，Bacon證實了AFC的有效功率。1969年AFC性能擊敗了PEMFC，成功應用于Apollo任務中搭載人類至月球。AFC作為宇宙探測飛行等特殊用途的動力電源已經達到了成熟的實用化階段。
AFC采用有限電解質溶液的措施來維持穩定的三相界面。通常，電解質為30%~45%的KOH溶液，電解質工作過程中定向傳輸的離子為OH-，因此產物水在陽極一側生成。由于電解質為堿性溶液，在實際應用中，AFC如果采用空氣作為氧化劑，壽命就會受到空氣中二氧化碳的影響而大大降低。正因為這個缺點，AFC通常必須以純氧作為氧化劑，這提高了AFC商業應用的成本。因此，除應用于一些特殊領域外，目前AFC的商業應用率不高[20]。
4.5磷酸燃料電池（PAFC）
磷酸燃料電池（PAFC）是以濃磷酸為電解質，可以在150～220℃工作，是在民用領域發展的較為成熟的一類燃料電池。
PAFC最早在20世紀60年代由美國開始研究，最具代表性的研究單位是美國的聯合技術公司（UTC）。1977年UTC與美國其他9家電力公司聯合開發出了兆瓦級PAFC。1983年后由UTC派生的國際燃料電池公司（IFC）開始了200kW級PAFC成套設備的開發，目前在美國已建造了MW級的PAFC電站。2006年，德國大眾宣布利用磷酸開發出了可在120℃高溫下工作的燃料電池。該公司預測2020年便可向市場投放可供日常生活使用的燃料電池車。中國對PAFC的研究暫處于空白狀態。
發電廠、現場發電、車輛、小容量可移動電源及其他（特種領域等）是PAFC燃料電池目前主要應用領域。
圖14日本PAFC燃料電池發電裝置
比起一般發電廠，PAFC電廠在發電負荷較低時也能保持高的發電效率。另外，PAFC現場安裝，簡單、省時、電廠擴容容易（圖14）[21-22]。
圖15日本現場發電裝置
現場（集中）發電（cogeneration）是PAFC的最佳應用方案之一，是把PAFC直接安裝在用戶附近，來提供能源。這種方式利用電和熱效率高，傳輸損失小，圖15為日本現場發電裝置[23]。
圖16第1臺以甲醇為燃料PAFC做動力的公交車
PAFC應用于車輛動力電源需要配備蓄電池來滿足車輛啟動和爬坡時的用電需求。1994年美國能源公司展示了第一臺以甲醇為燃料PAFC做動力的公交車（圖16）[24]。
PAFC還可用于特種領域，其優勢在于運行時噪音低和熱輻射量極少，有利于隱蔽目標。
4.6特殊燃料電池的應用
除了上述5種常規的燃料電池外，還有些特殊類型的燃料電池目前應用也非常廣泛。如：直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCell，DMFC）、直接碳燃料電池（DirectCarbonFuelCell，DCFC）等。
直接甲醇燃料電池（DMFC）其實是PEMFC的一個亞類，只是燃料采用了甲醇。如果燃料為乙醇，則為直接乙醇燃料電池，但甲醇相對更容易被氧化，因而DMFC較為常見。DMFC的性能與以氫為燃料的PEMFC還有較大差距，但氫燃料PEMFC造價高，這為DMFC提供了可能。DMFC作為小功率、便攜式的電源有較多的優點（圖17[25]、圖18[26]），但DMFC在近期內要用來代替PEMFC作為電動車的動力源似乎不太可能。
直接碳燃料電池（DCFC）是將碳通過電化學氧化過程直接轉換為電能的裝置，過程中不需要碳氣化、重整，效率可達80%，是一種高效、清潔的燃料電池。DCFC的研究歷史其實非常悠久。19世紀中葉第1個DCFC被研制出，但直到20世紀70年代，才開啟了碳燃料電池的研究熱潮。不過，盡管研究歷史悠久，但是DCFC的進展緩慢，目前還處于實驗室階段，離商業化應用始終有一段距離。
5.結束語
盡管燃料電池在技術上取得了很大突破，也慢慢走向應用，但目前的燃料電池仍存在成本高和壽命短的問題，要想在短時間內實現商業化應用還面臨著諸多挑戰。因此，在未來一段時間內，燃料電池技術的突破口仍舊是尋求便宜、高校的新能源電池。
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