燃料电池的新进展

张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所（河南洛阳 471023）

燃料电池的新进展

张文毓

中国船舶重工集团公司第七二五研究所（河南洛阳 471023）

主要叙述了国内外燃料电池的新进展,通过分析讨论对国内外燃料电池新进展有较全面的了解。

燃料电池 研究 进展

0 前言

早在160年前人类发明普通电池时，燃料电池就已经存在。但是，以燃料电池为动力的燃料电池汽车，则是近几年汽车工业的新发展。继火力发电、原子能发电之后，燃料电池发电技术以其效率高、排放少、质量轻、无污染、燃料多样化等优点，正进一步引起世界各国的关注。美国、日本、德国、加拿大等先进国家在燃料电池研究方面已走在前面。

1 燃料电池的主要类型

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池的主要类型见表1[1]。

表1 燃料电池的分类

2 燃料电池的新进展

2.1 美国

美国研究人员开发出一种不需要使用贵金属铂的新型氢燃料电池催化剂，可望解决燃料电池推广过程中的一个主要障碍。

据2011年4月22日出版的美国新一期《科学》杂志报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室联合开发的催化剂通过加热聚苯胺、铁、钴盐生成，几乎与铂催化剂一样有效耐用。通常情况下，由非贵金属制备的类似催化剂容易在高度酸性情况下降解，但这种新型催化剂却能保持稳定。此外，这种催化剂可以使燃料电池高效完成将氢和氧转化为水的过程，仅产生极少量的过氧化氢。

该论文作者彼得·泽列纳伊表示，与铂相比，新型催化剂的成本极低。研究人员已申请相关专利。氢燃料电池的工作原理实际上是个电化学过程，为使这个过程快速和高效，通常需要使用大量贵金属铂作为催化剂，然而铂材料昂贵，而且是稀有资源，因此，氢燃料电池的大规模应用受到限制[2]。

美国航天局下属喷气推进实验室最近宣布，该机构与南加州大学合作，研制出一种利用液态甲醇产生电能的电池，与其他燃料电池相比，这种“直接甲醇燃料电池”在发电时不需要添加任何燃料，也不排放任何污染物，其发电副产品为水和二氧化碳，如此生成的电能相对更清洁。此外，“直接甲醇燃料电池”还具有设计简单和能量密度高等特点。该项技术将为进一步开发和推广清洁能源开辟新途径。

2011年8月16日，美国能源部（DOE）宣布支持的全球首个第三代燃料电池和氢能源站在加利福尼亚落成，该项目将为公共交通提供燃料，为工业设施提供电力。该燃料电池将热能、氢和电力系统结合在一起，同时产生的氢可以提供电力和热能，因此称之为第三代系统。系统产生的氢将运送至氢燃料站，并对公众服务，每天可以提供25～50辆燃料电池电动汽车燃料充灌。燃料电池同时还产生250 kW的能量提供给废水处理工厂使用。这种生产方式大大推动了氢基础设施技术的发展，进而加快了这种可再生能源的使用。DOE可再生能源办公室主任助理认为，该示范项目将引导清洁能源经济的发展。通过提供附加的电力和热能，这种方式将推动氢燃料补给设施的发展[3]。

2.2 日本

为了减缓温室效应、提高能源利用率，以削减列车运行能耗为目的，从2000年起东日本铁路公司的研发中心一直致力于新能源（NE）列车的开发。公司自2003年起进行柴油机混合开发，确立了实用化目标；2006年开始实施NE列车的第二步计划，即世界首创的燃料电池混合式铁道列车的开发。

日本的东芝、富士电机、三菱电机、三菱重工、本田、松下电器以及三洋电机等大型企业都对燃料电池的开发倾注了大量的人力、物力。在汽车用燃料电池的开发方面竞争最为激烈，首先达到实用化水平。也有人认为燃料电池在家庭的普及方面同样具有诱人的前景，如三洋电机的研究人员就持这样的观点。他们的根据是比起汽车使用的种种严酷条件来，家庭使用的问题要少得多。因而三洋电机将家庭用燃料电池作为开发方向。

三洋电机关于燃料电池的开发历史已接近40年，近10年来侧重固体高分子型（PEFC）产品的研制。2013年3月末三洋对其开发的产品进行了试验。这是一种使用天然气的家庭用燃料电池电源系统，其额定输出功率为1 kW。构成该系统的各个装置能自动控制，仅用一个按钮即进行起动、停止的操作[4]。

新一代家用燃料电池效率高达87%。日本吉坤日矿日石能源公司最近展示了利用氢能和分散型电源的低碳型能源网络系统(已在日本北九州氢能城镇试验运行)及由“能源使用之家”变成“能源创造之家”的ENEOS创能住宅。

创能住宅包括由太阳能发电和家用燃料电池ENE·FARM组合发电系统，以及太阳能热水系统、高效燃油热水器、高效燃气热水器、蓄电池、家庭能源管理系统（HEMS）、电热地暖等。

据吉坤日矿日石能源公司的人员介绍，新开发的SOFC型ENE·FARM，液化气（或天然气）与水在电池内的重整反应器中生成氢，然后与空气中的氧气在燃料电池堆内进行化学反应，产生直流电，通过功率调节器（逆变器），提供家用交流电；另外，回收发电时产生的热能，通过热交换器，为90 L的家用贮水槽提供非饮用生活热水。该系统还可抑制二氧化碳的排放量。与以往燃烧化石燃料的能源系统相比，SOFC型ENE·FARM的能源效率最高可达87%，其中发电部分45%、供应热水部分42%，额定输出功率为700W[5]。

2.3 韩国

据韩国原子力研究院（KAERI）和韩国能源技术研究院（KIER）2013年5月25日联合报道，经双方共同研究，成功开发出可提高燃料电池能效的新材料。此次研制成果有两种：一种为可使固体氧化物燃料电池在低温状态下运作的“碳素薄膜银纳米粉末催化剂”；另一种为不仅可大幅缩小甲醇燃料电池（DMFC）体积，而且还能提高能效的“放射线照射高分子燃料电子膜”。

据介绍，碳素薄膜银纳米粉末可取代用稀有贵金属制成的催化剂，使SOFC能在650℃的高温下达到最大功效；放射线照射高分子燃料电子具有过滤甲醇并只允许氢离子透过的特性，可制作小体积高能效DMFC电池[6]。

韩国在大型固定式电方面的应用以及在交通运输、移动电话领域的应用都取得了很大的进展，并且致力于PEMFC和SOFC的研究，还制订了韩国燃料电池研发路线图。

3 燃料电池开发应用成果

3.1 汽车用燃料电池的开发成果

代表燃料电池汽车开发的最新成果有：戴姆勒克莱斯勒公司的NECAR5和Commander2燃料电池汽车、通用汽车公司的氢动一号、福特汽车公司的焦点（Focus）燃料电池汽车、大众汽车的Bora HyMotion燃料电池汽车。本田、日产、丰田不甘落后，日本丰田汽车公司在RAVA4车型上改装了分别用甲醇和氢为燃料的燃料电池SUV车，均使用其自行制造的PEM动力系统；日产公司与本田公司共同开发了4座燃料电池车FCXV3；日产公司开发了燃料电池汽车XTERRA SUV。大宇、现代奋起直追。由此可见，世界发达国家正积极发展燃料电池汽车技术，并已经取得惊人的成果。洁净燃料汽车的开发将为解决世界能源危机和环保问题提供有效的途径，燃料电池汽车将是未来汽车的发展趋势。

目前燃料电池技术在燃料能源输送、存储、价格等方面还存在巨大障碍，燃料电池汽车要真正从实验过渡到大规模普及使用，还面临一些技术难题和市场的挑战，理想的燃料电池开发还需要一个相当漫长的过程。但从最新展出的燃料电池概念车中可以发现其研究已经实现了质的飞跃，我们有理由相信，在不远的将来，驾驶燃料电池汽车上路行驶将不再是一个倍受关注的新闻[7]。

3.2 微生物燃料电池

英国的科学家研究出了一种微生物燃料电池以及具有自我供给功能的机器人，使得微生物成为未来一种可持续能源。

这种样子笨拙的机器人可以将任何有机物质分解转换成电能供自己使用，人们可以派它去条件恶劣的灾区执行搜寻幸存者的任务，由于机器人会自动利用环境中的一切有机物为自己供能，所以不必像使用普通电池那样担心它能量耗尽。

另外，科学家还研制出一种微生物燃料电池，可以将飞虫或者老鼠等生物的尸体分解转换成电能供电，但利用自然生物材料是否合适仍然存在争议。微生物燃料电池应用广泛，如果将它放入污水池中，在清理水质的同时还能发电，可谓一举两得。

微生物燃料电池是一种以微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的生物装置。微生物燃料电池的发展方向：（1）生物修复。利用环境中微生物氧化有机物产生电能，既可以去除有机废物，又可以获得能量；（2）废水处理。微生物燃料电池不仅可以净化水质还可以发电，它的出现有望使污水处理产业拥有广阔的发展前景；（3）生物传感器。如乳酸传感器和BOD（生物化学需氧量）传感器。

然而，虽然伴随着人类的发展，生物能量的内涵在不断革新，且将发挥重大作用，但它的利用和研究却仍处于起步阶段。依托生物电化学和生物传感器的研究进展以及对修饰电极、纳米科学研究的层层深入，微生物燃料电池的研究未来必将得到更快的发展[8]。

3.3 陶瓷膜燃料电池（CMFC）

陶瓷膜燃料电池是固体氧化物燃料电池的最新发展阶段，能量转化效率高、对燃料的适应性好、操作方便、对环境几乎无污染，是化石和生物质燃料转化为电能的最佳技术，将成为分散和固定电源、车船动力，最终取代目前的火力发电，并成为未来氢能社会的最佳能源技术之一[9]。

3.4 直接碳燃料电池（DCFC）

直接碳燃料电池是一种按电化学方式直接将化学能转化成电能，而不经过煤炭燃烧的发电装置。作为一种燃料电池，具有高效、无污染等优点。

19世纪末，William Jacques首先以焦炭作电极、熔融氢氧化钠作电解质，尝试了DCFC技术，并在当时引起了公众的极大关注。但是在电池的运行过程中，由于无法解决碳对电解质的污染等问题，其放电效果并不令人满意，致使人们对这一研究的关注逐渐减弱。直到上世纪90年代初，随着电源技术的发展及人类环保意识的增强，DCFC逐渐又成为燃料电池领域的研究热点。

作为一种有巨大潜在应用前景的新型化学电源，DCFC的研究正受到越来越多的关注。但是，DCFC目前尚处在理论研究与实验室模型初试阶段，距离它的商业应用还有很长的路要走。今后，寻求适用于DCFC的碳形态、研发新型催化剂和电解质材料、优化电池结构设计、完善DCFC过程理论等将是DCFC技术发展的关键[10]。

3.5 直接甲醇燃料电池

据报道，中科院长春应化所承担的国家“863”计划课题——直接甲醇燃料电池技术开发已在2011年通过了科技部验收，为直接甲醇燃料电池实用化和产业化奠定了重要基础。

该新成果在多方面取得了突破：采用空气替代纯氧气作氧化剂；实现纯甲醇进料，大幅度提高系统比能量；电堆体积比功率增大5倍；尾气得到有效处理，甲醇含量仅为3.55×10-4mol/L。电堆最大功率达到375W，运行2050 h后，性能衰减l3.27%，能量转化效率高达43.85%。80℃工作时，单电池最大功率密度达到了205MW/cm2。

直接甲醇燃料电池是一种将化学能连续不断地转化为电能的可再生清洁能源，具有能量转化效率高、运行安全方便、发电时间持久等优点，特别适合作为笔记本电脑、电动自行车等便携式中小型化电源或充电电源使用，自20世纪60年代初问世以来，已迅速发展成为国际高新技术竞争中的重要热点之一[11]。

4 结束语

虽然燃料电池由于目前使用成本仍偏高，利用率较低，但是未来随着传统化石燃料短缺、消费者环保需求提升及燃料电池技术不断进步等因素的刺激，燃料电池将在洁净电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，特别是小型便携式产品用直接甲醇燃料电池和车用质子交换膜燃料电池将大有作为。汽车用燃料电池的开发竞争最为激烈，将首先达到实用化水平。洁净燃料汽车的开发将为解决世界能源危机和环保问题提供有效的途径，燃料电池汽车将是未来汽车的发展趋势。参考文献：

[1] 肖国林,陈虹,段宗武.燃料电池技术在潜艇和海洋工程中的应用前景探讨[J].舰船科学技术,2009,31(12): 102-106.

[2] 美研制出新型氢燃料电池催化剂[J] .现代材料动态, 2011(9):23.

[3] 全球首个第三代燃料电池和氢能源站在美国启用[Z] .英大网,2011-11-18.

[4] 郭志红.家用燃料电池的开发[J] .国外科技动态,2000, 375(10):5-7.

[5] 新一代家用燃料电池效率高达87%[J] .功能材料信息, 2011,8(3):62.

[6] 韩国成功研发高性能燃料电池用新材料[Z] .www.most. gov.cn,2011-06-08.

[7] 林子扬.国外燃料电池开发及成果[J] .汽车研究与开发,2001(6):22-25.

[8] 赵群,张翔,李辉.基于燃料电池技术的新能源发展论述[J] .机械,2007,34(7):1-6.

[9] 孟广耀.陶瓷膜燃料电池研究进展与展望[J] .中国科学技术大学学报,2008,38(6):576-593.

[10] 胡雅琴.直接碳燃料电池研究进展[J] .山西大同大学学报,2011,27(3):37-40.

[11] 直接甲醇燃料电池研究取得成果[J] .功能材料,2011, 8(3):39.

New Progress of Fuel Cells

Zhang Wenyyu

Mainly describes the new progress of fuel cells at home and abroad,the purpose is to let readers have a more comprehensive understanding on the new progress of fuel cells through the analysis and discussion.

Fuel cell;Research;Progress

U 473.4

2014年2月

张文毓 女 1968年生 1990年西北工业大学毕业 高级工程师 主要从事情报研究工作曾发表论文50多篇