燃料电池技术现状及其应用前景

马天才，顾荣鑫

（弗尔赛能源有限公司，江苏 昆山215300）

1 概 述

能源是人类赖以生存的物质基础，人类社会的发展离不开自然界各种能源的开发和利用。能源的开发和利用已经成为衡量社会物质文明的重要标志之一。自然界蕴藏着各种不同形式的能源，人类迄今已经不同程度地开发和利用了自然界的风能、水能、太阳能、燃料的化学能和原子核能等。尽管能源种类众多，但由于使用的稳定性以及传输和存储等原因，现阶段人类所使用的能源大多是利用热机过程将其它能源转化得到的电能或机械能。人类在使用热机开发、利用能源过程中，不仅污染了赖以生存的环境，加剧了全球性的气候变暖形势的恶化，而且增加了对化石燃料的依赖性，加速了化石能源的消耗，造成了潜在的能源危机。为此，各国相继立法，鼓励社会加速对太阳能、风能、氢能、生物能等低碳可再生能源的开发和利用。

我国政府也是低碳新能源技术的积极倡导者和参与者，不仅在2004年制定了《能源中长期发展规划纲要（2004－2020）》，并于2007年已经制定了《中国应对气候变化国家方案》，明确提出：重点发展低碳能源和可再生能源，改善能源结构。发展新能源和节能环保产业，不仅被认为是：抢占未来产业发展制高点、提高国际竞争力的重大举措；扩内需稳外需、培育新的经济增长点的有效手段；转变经济发展方式、促进可持续发展的有效途径，同样也是兑现我国在哥本哈根会议对世界低碳承诺的必由之路。

氢是一种高效和清洁的燃料，不仅燃烧过程不会产生污染，而且通过燃料电池可以不经过燃烧直接、高效地将氢能转换为电能。氢是自然界中存在最普遍的元素，其发电和制取过程是一个可循环的氧化还原反应过程，因此是资源最丰富的可再生能源。在众多的新能源技术中，氢能无疑是未来最有希望的能源技术。20世纪70年代，科学家就提出了“氢经济”的概念，确立了氢能作为解决全球能源和环境问题的方案地位，并成立了“国际氢能学会”（International Association of Hydrogen Energy，IAHE）。作为利用氢能最理想的方式－燃料电池技术也逐渐引起了人们的重视，已在电站、备用电源以及车用发动机等应用方面已经取得了长足的发展，并且正在逐步接近商业化的程度，相关的研发也得到了众多国家政府的支持。

2 燃料电池的基本原理

燃料电池技术并不是一项全新的技术，其发展历史可以追溯到19世纪30年代。1838年C.F.Schonbein发现了燃料电池工作原理；1839年 W.R.Grove发表了世界上第一篇有关燃料电池的报告，并制成最早的氢－氧燃料电池。此后的一段时间内，其他科学家在此基础上进行了改进和尝试，并且取得了一定的进展。如L.Mond和C.Langer制作的燃料电池从结构上已经接近现代的燃料电池，但限于当时的科技水平和人们对能源、环境方面的认识，以及热机过程研究取得了成功，燃料电池技术并没有得到重视。直到20世纪60年代初期，Pratt＆ Whitney公司研制的碱性燃料电池成功地应用在Apollo登月飞船上，以及70年代世界性能源危机的出现，人们对燃料电池技术的热情才重新被点燃。

燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转化为电能。燃料电池的工作原理不同于热机，没有中间过程，不受内燃机的热力学特性（如卡诺循环）限制，理论上可以获得更高的效率。作为发动机使用时，直接使用氢气的质子交换膜燃料电池所获得的效率是传统内燃机的两倍。纯氢燃料电池的反应产物只是水、热和电能，对环境不会造成污染，所以与之相关的技术被认为是解决化石能源短缺和环境污染问题的关键技术之一。

燃料电池根据其使用的电解质类型可分为：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、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）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。各种燃料电池的主要特性如表1所示。

质子交换膜燃料电池工作温度相对较低，因采用固体电解质而具备更好的稳定性，其生成的副产物为纯水而不存在腐蚀问题，电流密度高，且响应速度快、使用寿命长。因此，质子交换膜燃料电池成为现阶段燃料电池研究的重点，也是车载发动机和电源系统首选的应用对象。文中随后提及的燃料电池若无特别指明，均指该类型燃料电池。

表1 不同类型燃料电池特性

图1 质子交换膜燃料电池工作原理

燃料电池单体是由两个电极夹着电解质的“三明治”结构，如图1所示。质子交换膜的特性是可以通过质子，而电子不能通过。氢气通过阳极板上的流道至阳极表面，然后经扩散层到达催化层，在催化剂的作用下，发生如下的电极反应：

阳极反应释放的电子经外电路到达阴极，氢离子则穿过质子交换膜到达阴极。在催化剂的作用下，氧和氢离子在阴极反应生成水：

完整的燃料电池反应过程可以表示为：

通过上述反应，氢和氧被消耗，相应的化学能转化为电能（Ee）。同时，反应生成热能（Heat）和水，生成的水通过电极流场随反应的尾气排出。理论上，在100 kPa和25℃条件下，氢气氧化生成液态水，焓变△H 为－285.8 kJ／mol，反应热 T△S 为－48.7 kJ／mol，即1 mol氢气参与反应，产生48.7 kJ的热能和237.1 kJ的电能。根据热力学理论，在上述条件下燃料电池的电能转化理论效率为83%。

3 燃料电池能源系统

为了满足一定的输出功率和输出电压需求，通常将燃料电池单体按照一定的方式组合在一起构成燃料电池堆，并配置相应的辅助设备，构成燃料电池系统，典型的结构如图2所示。其中，电堆是燃料电池发动机的核心，辅助系统是维持电堆持续稳定地工作的必要条件。燃料电池发动机辅助系统包括氢气供应系统、空气供应系统、水热平衡系统、控制系统。

图2 燃料电池系统结构示意图

目前，燃料电池发动机通常根据其工作压力分为低压系统（工作压力小于0.5 barg）、中压系统（工作压力小于3.0barg）和高压系统（工作压力大于3.2 barg）。除此之外，还有根据系统工作温度、加湿方式、散热方式为依据来划分的方法。

由于工作压力的不同，燃料电池系统在辅助系统、管路构成、系统内部的水热平衡以及动态特性等方面都存在诸多差异。其中，最明显的差异是其空气供应方式以及由此引起的辅助消耗。低压系统一般采用风机来供应空气，而某些自呼吸式低压系统甚至取消了风机，直接依靠空气的对流来供应氧气；中高压系统则需要依靠压缩机来供应空气，并且需要配置背压阀或其它设备来控制系统工作压力。相应的，低压系统结构简单，辅助消耗比较少，容易获得较高的效率，但系统响应速度和水平衡问题比较突出，系统成本也比较高，功率密度较低；而中高压系统则相反，系统复杂程度显著提高，辅助消耗较大，甚至会超出系统输出的20%，但系统响应速度快，水平衡问题在一定程度上得到缓解。

由于存在极化现象，燃料电池的输出电压会随着输出电流增加急剧下降，为了满足特定场合的供电需求，通常燃料电池系统需要和电压转换装置配合使用，构成燃料电池电源系统或燃料电池动力系统。此外，由于燃料电池系统的风机或压缩机的惯性系数较大，且空气穿过电极气体扩散层的速度较慢，燃料电池系统的动态响应速度约为10 s。为了满足负载毫秒级动态响应过程，通常需要在动态特性和系统效率之间进行折衷处理，或者配置蓄能单元以弥补其动态响应较慢的不足。燃料电池能源系统即为燃料电池系统、电压转换转换系统以及蓄能单元构成的发电装置。

燃料电池能源系统的典型应用主要是车用发动机、分布式电源以及热电联共能源系统，系统的输出形式为直流电、交流以及热能。其中，直流电能和交流电能的输出分别依靠直流变换器DCDC、逆变器DCAC进行能量转换，热能的输出直接由燃料电池的冷却子系统通过热交换器和外部供暖系统进行热量传递。图3为弗尔赛能源有限公司和上海邮电设计咨询研究院有限公司、同济大学联合开发的5 kW级的通信用燃料电池备用电源系统结构示意图。

图3 燃料电池备用电源系统结构示意图

在过去的10年内，在各国政府的大力支持下，在众多的科研单位、汽车生产厂商、燃料电池生产商和集成商、能源供应商的共同努力下，燃料电池技术研究已经攻克了很多早期的应用障碍，不仅制造成本的急剧下降，而且可靠性和耐久性的大幅度提高。众多的汽车制造商、燃料电池能源系统供应商最近都公布了研发计划和目标，并且在时间和目标方面大致相同：2010年以前为技术积累阶段，重点发展相关技术、降低系统成本；2010至2015年为市场化准备阶段，重点为市场化为目标进行技术优化；2015年进入市场化阶段。至2017年预计燃料电池能源系统的成本将和内燃机成本相当，约为30＄／kW，车载工况下耐久性达到5 000小时，电源工况下耐久性达到40 000小时。

4 氢能源技术

氢气是燃料电池运行的基本燃料，燃料电池能源系统的应用离不开氢能源技术。由于氢气密度小、性质活泼，特别是具有易燃、易爆、易扩散等特点，氢气的生产、存储和运输是制约燃料电池能源系统广泛应用的一个主要原因。氢能源技术主要包括氢气的制取、存储和运输等三个方面。

由于氢元素广泛存在于自然界中，氢气的制取方式多种多样。目前，常用的氢气制备方法主要有电解水制氢、生物质制氢、化石燃料重整制氢、太阳能热化学制氢、热化学循环分解水制氢、超临界水生物质气化制氢以及副产氢回收等。电解水制氢是比较成熟的制氢方法，其氢气产品可直接应用于燃料电池。制氢的电能既可以采用传统的市电，也可以采用风力、太阳能等新能源设备产生的电源。因此，可以广泛应用在各种场合，不仅适用于小规模分布式制氢，也适合集中式大规模制氢。和风能、太阳能联合使用的电解水制氢技术，配合燃料电池技术实现真正的无碳化、可再生能源利用过程。其他可再生氢的制取技术，如生物制氢、光电化学技术、光催化技术和光化学技术，虽然具备很大发展前景，但由于还处于很早期的发展阶段，其技术发展、经济性等都还不明朗。基于经济因素的考虑，目前的大规模制氢主要是通过化石燃料的重整。天然气汽化重整制氢是目前国际上广泛采用大规模制氢方法，制氢成本约为2－3＄／kg也是目前唯一能满足燃料电池技术大规模推广成本要求的制氢技术。此外，更为廉价的氢气来源是化工行业的副产氢，经过提纯加工后可作为燃料电池的燃料。2009年我国以1 500万吨的氢气产量，超过美国的900万吨，成为为世界第一氢气生产国，其中有相当大一部分是副产氢。据相关资料显示，仅上海地区每年的副产氢就有55万吨。这些氢气如果不能有效利用，大多都采用直接排放到大气或燃烧后产生热能，因此这些氢气的成本主要是运输成本。目前，国内燃料电池行业使用氢气主要是提纯后的副产氢，如2010年上海世博会上燃料电池车辆使用的氢气就来源于同济大学和上海焦化厂合作开发的，生产能力为每小时400 m3的氢气提纯装置。

氢的存储方式可根据存储介质分为物理储氢、金属氢化物储氢、新型碳材料储氢、有机液体储氢和无机物储氢等，根据氢的形态可分为气态存储、液态存储和固态存储三种形式。采用圆形钢瓶气态储氢是目前工业领域最常用的储氢方式，其技术成熟、安全可靠、价格低廉，但存储压力通常约为15 MPa，储氢重量密度仅为1.6 wt%，通常用于对储氢密度要求不高的场合。另外一种气态储氢方式是在车载领域广泛使用的复合材料高压氢瓶，其储氢重量密度在工作压力35 MPa时为13 wt%，而Dyneteck公司最新产品的安全工作压力可达70 MPa，其储氢重量密度约为23 wt%。该类型的储氢瓶不仅在车载环境下进行了两年连续运行、累计行驶10万公里的测试，而且还进行了振动、冲击、火烧以及高空坠落等试验，均表现出良好的安全性。无论是技术成熟度、经济性、储氢密度和安全性等方面考虑，复合材料高压气态储氢都是目前最适合的储氢方式。由于氢气的沸点很低，要维持液体状态必须保持氢温度低于21K，因此液态储氢必须采用多层、绝热的真空夹套结构容器，且具备高压安全防护措施。尽管液氢储氢方式是密度最高的，约为相同状况下氢气的800多倍，但是由于氢气液化过程需要消耗约本身储能的40%，并且蒸发率较高，因此目前主要用于航空航天领域。固态储氢主要是利用金属氢化物储氢，其储氢机理是：由于某些金属或合金具备特殊的晶格结构，在一定条件下，当氢原子进入其晶格的四面体或八面体间隙时，氢与金属或合金反应，放出反应热并形成金属氢化物，把氢储存起来。当金属氢化物在一定的压力下受热分解时，氢从中释放出来供外界使用。金属或合金的氢化物储氢的体积密度甚至高于液氢，且存储压力非常低，具备很高的安全性，是储氢技术的发展方向和研究重点。只是在目前技术条件下，其重量密度过低（约2 wt%）和制造成本过高，使用寿命有限，且气体释放过程对温度要求较高，动态响应速度缓慢，要广泛使用还需要进行大量、深入的研究工作。

和存储类似，目前氢的运输大多还是以高压、气态方式进行的，不仅成本较高，并且加注和压缩过程都存在一定的能量损耗。从长远发展来看，氢以气态形式由管道输运是最为便利和简单的方法。美国能源部将高压输电与管道输氢的经济性进行了对比，结论表明使用500 kV高压输电，当距离大于800 km时，其经济性还不如用管道输氢。目前，美国已经建立了1 200英里的氢气运输管道，并且有更多的管道正在规划和建设中。可以预见，在不久的将来，随着燃料电池能源系统和氢能的普及，管道氢气也必将成为未来能源传输重要方式。

5 燃料电池备用电源在通信行业的应用前景

随着通信工业持续、快速地发展，持续增长的手机数量、高速互联网的数据传输需求都对通信行业提出了更高的要求，不仅通信基站数量需要大幅度增加，而且通信服务的可靠性进一步增加。备用电源系统依然是通信行业可靠性保证的重要因素。无论是由于人为因素，还是自然灾害等不可抗拒因素引起电网供电中断时，都需要依靠备用电源为现场负载提供能量，以维持通信系统的正常工作。

目前，通信行业所使用的备用电源系统主要是蓄电池或蓄电池与发电机组成的混合系统。尽管这些备用电源系统技术成熟，且在通信行业应用广泛，却越来越不适合节能减排、低碳等社会的发展方向。不仅内燃机发电装置能量转换效率低、噪声大、尾气污染严重、依赖于石油等化石燃料，而且蓄电池性能受工作条件影响明显、占地面积和重量大、维护频率和费用过高等不足已经成为通信电源技术发展的一个瓶颈。提高备用电源的能量密度、功率密度、供电时间、使用寿命，降低其维护成本、占地面积、重量和对环境的影响，已经成为了通信行业不得不面对的问题，而燃料电池能源系统技术则无疑是解决这一问题的最佳选择。无论是欧美，还是日本，即使我们的近邻印度也都在大力发展通信用燃料电池备用电源系统。印度已有数千套燃料电池能源系统装备了无线通信基站。

尽管传统的备用电源系统技术成熟，然而燃料电池能源系统依然具有明显的技术和成本优势。燃料电池备用电源的优势不仅仅是能量转换效率高和低排放等众所周知的因素，在维护成本、持续供电时间和环境适应性方面的优势也都同样明显：存储的能量以及持续工作时间可精确估计，具备很好的可预测性；工作温度范围广，且性能几乎不受环境温度影响，具备更好的适应性；可通过扩展氢气存储系统实现工作时间的增加，不仅可以提供更长的持续工作时间，而且具备更好的可扩展性；使用寿命大于10年，累计工作时间可大于40 000小时，且维护周期可大于1年，大大优越于蓄电池1个月的维护周期和3至5年的使用寿命；重量更轻、占地面积更小，可大幅降低通信电源的初期建筑成本投入。随着商业化进程的加快和市场容量的不断扩大，。燃料电池能源系统的运作成本在未来几年内将低于蓄电池备用电源系统。此外，使用燃料电池能源系统作为备用电源，为创建“资源节约型、环境友好型”社会做出贡献同样是巨大的。

如果燃料电池能源系统能和太阳能制氢、风力发电制氢等其它新能源技术相结合，则可组成长寿命、免维护的通信电源系统，为通信上使用的无人值守的光缆中继站、无人值守的微波中继站、海岛等无市电的无线基站建设提供电源。不仅可为扩大我国的通信网络覆盖和提高通信质量做出直接的贡献，而且可提高我国应对诸如地震、恶劣气候等自然灾害等突发情况时的快速机动和处理能力。

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