燃料电池

随着能源紧张、油价攀升，环境污染严重，节能环保成为人类不懈努力的方向。燃料电池以其效率高、零污染、使用方便等特点进入人类的视野，在诸多领域的应用也应运而生，成为人们关注的热点。

工作原理


1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。燃料电池（FuelCell），是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成（见图1）。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。经催化剂的作用，阳极的氢原子分解成两个氢质子与两个电子，质子被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子则由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水是燃料电池唯一的排放物。



图1 燃料电池工作原理

DMFC——便携式设备的绿色动力


燃料电池种类繁多，直接甲醇燃料电池（DMFC）在便携式设备中的发展潜力巨大。直接甲醇燃料电池以液态甲醇为燃料，体积能量密度约为液态氢的3～4倍，操作温度在80℃，储存与运送远较氢气方便及安全，且取得容易，成本低、体积小、重量轻，因此更符合便携式电子产品的需求。


DMFC系统由四部分组成：由数片燃料电池堆叠成的燃料电池本体，包含电力转换、能源管理控制、湿度控制、负载控制等元件的电能控制系统，燃料供应与水、热管理元件等周边设备，主要构成元件是负责甲醇燃料输送的压力泵、风扇、送风机、监控甲醇浓度的传感器，以及包括甲醇燃料罐及纯水罐燃料供应系统。为适应便携式设备的应用，直接甲醇燃料电池还可细分为主动式直接甲醇燃料电池与被动式直接甲醇燃料电池两种。早期开发多集中在主动式DMFC，但由于甲醇水溶液的循环系统较为复杂，体积重量不易缩减，被动式DMFC也渐被重视。


现阶段，用于便携式设备的燃料电池的不断出新：2008年4月在美国亚特兰大召开的便携式产品燃料电池大会（Small Fuel Cells 2008）期间，夏普表示已经在直接甲醇燃料电池方面取得相当大的进步，其DMFC实现超高密度的容量，与普通的锂电池相比，同样的密度下容量提升了5倍，将面向PDA、笔记本电脑、手机、数码相机等消费电子市场。索尼研制出的超小混合燃料电池同样具有颠覆性，大小仅为50mm×30mm，集成了燃料电池和传统电池以及控制电路，该电池系统同样以甲醇为燃料，可以满足大流量的移动设备供电需求。同时，各大公司不断进行新技术新材料的研发，三星公司针对手机研制出水燃料电池，只需加水就可以工作，并称其续航时间比普通充电电池长一倍，预计于2010年投入市场。


尽管直接甲醇燃料电池在便携式设备中的应用层出不穷，但是在大众生活中普及仍面临诸多挑战。暂且不说如何克服其在甲醇穿透问题、水满溢现象等技术难题，单从消费者而言，它的成本，安全性、标准化等问题都制约着它的发展。业界乐观预期，燃料电池量产化后，2010年价格有机会降到每瓦发电成本只要3美元。整体而言，直接甲醇燃料电池技术发展的脚步，除技术提升外，也需要完善的DMFC产业链支撑。

实际应用


自1839年燃料电池问事以来，直到20世纪50年代，有关燃料电池的研究才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。80年代以后，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。现阶段，凭借燃料电池具有节能、转换效率高、排放零污染、结构简单、运行平稳等特点，其在固定发电系统、交通工具用电源及便携式设备电源等方面占有了广阔的应用空间。


在发电系统应用中，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，整个发电系统无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%。


作为汽车的动力装置，燃料电池的优点是低排放，绿色环保。尽管燃料的种类只有氢，但是来源丰富，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。由于燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，其效率大为提高，约为内燃机的2～3倍，在成本和整体性能上(特别是行程和补充燃料时间上)也明显优于其他电池的电动汽车，因此自20世纪90年代起，欧美和日本的各大汽车生产厂家看到燃料电池汽车巨大的市场潜力，纷纷投入巨资，进行燃料电池车的相关研究、试验与生产，到现在已经开发出数百辆燃料电池汽车样车，预计2015年燃料电池车将商业化生产。


近年来便携式电子产品快速发展，包括手机、笔记本电脑、个人数字助理（PDA），乃至数码相机及摄像机等，造就庞大的市场和商机。然而，随着产品功能的增强，系统对于电池的需求越来越高，一个小而轻、续电时间更长的电池，将是所有消费者一致的要求。以往我们使用的干电池或充电电池在输出电能后，阴极与阳极会产生化学变化而逐渐消耗掉。而燃料电池只需要补充燃料，不但环保方便，还可以省去电池充电浪费的时间，非常符合现代人生活的需求。

国内燃料电池发展现状


中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究，一直以来都非常重视燃料电池技术的研究和开发，并取得了蓬勃发展。近年来，中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破，如陆续开发出百瓦级～30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组。总体来说，中国燃料电池的研究与国外水平和实际应用还存在一定的差距，必须加快追赶的步伐。


值得关注的是我国的氢燃料电池汽车的开发目前与世界相差不大，在上海、北京等城市已经出现燃料电池汽车的试运行。前不久，中国自主研制的20辆氢燃料电池轿车走出实验室，驶进奥运会场，作为2008北京奥运“绿色车队”中的重要成员。据悉，经过一代代的改进、优化，这些最新一代的燃料电池轿车动力性能持续增强，最高时速近150km，一次性充氢连续行驶里程超过300km，整车的可靠性、稳定性也不断得到提升。

市场预测及展望


据ABI公司的保守估计，到2013年全球燃料电池市场将达380亿美元。SRI咨询公司预测，2008年燃料电池市场约50亿美元，到2013年预计市场价值将达456亿美元。静止式燃料电池市场将从2008年20亿美元增大到2013年100亿美元，便携式燃料电池2013年市场将达250亿美元，汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增大到2013年100亿美元。由此可见，燃料电池作为继水力、火力、核能之后新一代能源技术，其广阔的应用前景不容忽视。