燃料电池技术应用研究及未来前景展望

伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

燃料电池作为最具前景的能源技术之一，具有无污染、高效率等优点，在电力电子和相关应用领域应用广泛。在运行方面，燃料电池类似于传统蓄电池，但存在一些明显的物理差别[1]。例如，燃料电池是电化学装置，即将燃料的化学能直接转换为电能。传统蓄电池和燃料电池的主要区别是燃料电池不像蓄电池使用外部反应物供电[2]。

燃料电池通常以其所消耗的电解质进行分类，主要分为磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）及碱性燃料电池（AFC）等[3]。

1 燃料电池在车用动力装置领域的应用及前景展望

1.1 车用燃料电池的技术特点

燃料电池具备诸多技术优点，如高效率、低污染等，在小型或中型电力设备中具有较高的吸引力。其中，最具前景的领域为汽车工业。通常认为氢气是车用燃料电池主要的燃料[4]，但是由于运载工具携带氢气的高危险性，一定程度上限制了其应用。

在新款高档车型中，已有越来越多的电气系统取代机械和液压系统，如电气辅助动力方向盘、电子伺服技术、主动悬挂及交流电（AC）电力插座等。同时，为了满足大功率动力需求，需采用高压电池，如36 V存储系统。

就目前先进的混合电动汽车（HEV）技术而言，燃料电池可与内燃机并行运作以驱动负载[5]。电机通过直流电（DC）电源供电，功率可达到80 kW。DC电源可以是合适容量的蓄电池，也可以是燃料电池。通常采用的直流电压为300 V或140 V。目前，燃料电池有望取代传统的蓄电池，成为日后全电汽车的动力来源。

众所周知，氢气是燃料电池汽车（FCV）的主要燃料。氢燃料电池汽车的废气排放为零，且其蒸发物也为零污染，主要存在的问题为运输和存储。现行较为广泛的存储方式为低温冷却储存和压缩气体储存。该类方式带来了额外的能源要求、安全和空间要求等，并增加了燃料成本。因此，目前氢燃料电池汽车相比传统内燃机汽车的竞争力较为有限。

考虑到上述技术难点，甲醇燃料电池一定程度上也被考虑作为氢燃料电池的有力替代品。甲醇是一类液体燃料，可使用当前较为成熟的运输系统进行运输。甲醇燃料电池的一大技术劣势必须先将甲醇转化为富氢燃料，从而降低甲醇燃料电池的排放。该过程的花费较高，效率会随之降低。针对该劣势，较简单的解决方案即采用直接甲醇燃料电池汽车。在该类车型中，甲醇在燃料电池板内部被氧化，大大节约了处理工序。该类燃料电池的技术优势为高电流密度和良好的环境适应能力，符合车用动力装置的技术要求。尽管直接甲醇燃料电池汽车具备诸多技术优势，但依然存在未反应甲醇从阳极渗透至阴极的反应，从而影响甲醇燃料电池的电压效率。

除了此类问题，较短的起动时间也是必备条件之一，同时系统成本也应控制在较低水平。目前，大部分高分子膜和催化剂的成本依然居高不下。然而，在总成本降低的同时，依然需保证较高的性能，以便增强燃料电池汽车的未来竞争力。

1.2 燃料电池在大型车辆动力装置领域的应用及前景展望

目前，燃料电池同样也在重型车辆上得到了应用。美国和欧洲的高速运输管理局已推出燃料电池供电汽车。同时，汽车领域大部分采用PEMFC或DMFC。除去这两类，PAFC也在客车领域得以应用。目前，世界第一辆燃料电池客车已被应用于加拿大的Vancouver市。该试验车型所应用的燃料电池采用PEMFC，由加拿大Vancouver市的Ballard电力系统公司开发。燃料电池客车应用于市区，可有效缓解环境污染，显著降低噪声水平[6]，是应对降低排放的发展趋势。国外诸多城市已开始选择采用压缩天然气（CNG）燃料客车。

类似客车或者货车等重型车辆应用于城市运输过程中，排放标准是首先需要考虑的问题[7]。此类标准会依据发动机排放现状进行制定，通常对NOx、CO及颗粒物等作出限定。为实现对排放物的控制，目前的客车可采用混合动力形式实现。典型的柴电混合动力汽车燃料经济性比传统的柴油车和CNG车更高。当采用燃料电池取代柴油机时，燃料经济性优势将大幅提升，这是氢燃料的直接氧化带来的优势。但是，由于氢燃料储存和运输方面的技术劣势，因此在客车领域，DMFC依然有较好的应用前景。随着氢燃料的简易运输和储存技术的不断完善，氢燃料电池的应用前景将会被日益看好。

以燃料电池汽车为代表的零排放运载工具，比传统燃料的载运工具具有更明显的排放优势。长期以来，蓄电池一直作为满足零排放需求的最佳选择，而燃料电池技术近年来才得到了大部分汽车制造商的关注。究其原因，在于历史上储存足够能量的蓄电池通常成本较高，限制了其在汽车动力装置领域的发展，而燃料电池汽车在运行时的噪声水平更低，并且无有害气体排放。目前，PEMFC在过去数年间已得到大幅提高，性能已接近传统汽车，且在较宽的功率密度范围内效率较为可观。

由于燃料电池的高能量密度与蓄电池电动汽车的一体化，可预见燃料电池混合动力汽车将会得到更广泛的关注。目前，美国、欧洲和日本主要关注燃料电池汽车等方面的测试问题。在未来，燃料电池的材料成本、配件成本及燃料电池技术的成本均会进一步降低，同时使用燃料电池的混合动力汽车将会逐步进入市场。21世纪，将会见证燃料电池汽车系统的逐步完善及投入使用，并将大幅改观现有的公路运输系统，对环境也更为友好[8]。

2 燃料电池在飞行器领域的应用

2.1 燃料电池在航天器领域的应用

对于长距离运输领域而言，氢能的能量储存和转化环节较为重要。燃料电池在航天领域已受到广泛关注，被认为最适合应用于该领域的燃料电池技术为AFC。AFC效率较高且重量轻小，适合于长距离空间运输任务。相比于蓄电池，AFC功率密度更高，能量储存能力更强。

拥有静止电解液的AFC被认为是航天飞机供电的最佳选择之一。该类技术已由美国NASA研发成功。AFC的静止电解液可利用毛细管固定在特定位置，同时采用特殊的高分子膜技术实现了进水和脱水。

近年来，PEMFC在航天器中的应用被认为比AFC具备更广泛的优势。NASA正考虑用PEMFC取代现有燃料电池项目中的AFC。结果表明，PEMFC的使用显著降低了生命周期成本，同时PEMFC的使用寿命相对更长（大约10 000 h）。PEMFC单元的功率密度更高，可获得相比AFC单元高达1.5倍的能量。此外，PEMFC的系统稳定性和安全性也更高，可显著降低动力装置的使用周期成本。同时，PEMFC的使用提高了航天任务的轻便性。

PEMFC的设计阶段需考虑一些较为重要的问题，如一些与安全、维护、替代成本及整体性能相关的问题。同时，PEMFC电站需与其他飞行器项目协调运作并且兼容。

PEMFC在航天领域的应用具有使用寿命长、基建费用低及生命周期成本低等优势，目前主要技术发展方向为PEMFC高分子膜结构技术，同时避免了使用AFC包含腐蚀性的碱性溶液。

通常，在低电流密度的情况下，AFC的性能比PEMFC更好。在高电流密度情况下，PEMFC的性能总体更为优越，这主要由于电池电压更低。事实上，在高电流密度上，PEMF总体超越了AFC。从以往研究来看，在航天电力领域，PEMFC相比AFC具有更明显的优势。

2.2 燃料电池在航空器领域的应用

燃料电池还可用作太阳能飞行器的理想动力来源[9]，需解决的问题是夜间飞行器的供电问题。在白天，由太阳能电池板驱动电机；在夜间，燃料电池系统则可提供必需的推进动力。飞行器通常会飞行在超过50 000 ft的高空，因此要求燃料电池的重量较为轻小，需具备超过60%的高效率。

燃料电池还可对高空气球供电。高空气球可用于在大气层中收集地球、太阳及其他科学研究所必需的信息。早期，通过蓄电池对高空气球供电，功率范围100～200 W。然而，未来的研究进程则需要其具备更高的功率，可能会达到5 kW的功率需求。在该功率范围内，蓄电池的重量较大，与高空气球的技术需求相悖。因此，目前考虑采用PEMFC取代蓄电池应用于该领域，且要求能承受温度的较大波动，通常在-50～100 ℃。

3 燃料电池在分布式发电系统中的应用

3.1 分布式发电系统用燃料电池的技术特点

随着电力传输和配电成本的提高，电力公司目前正在考虑选择现场发电和分布式发电，其中较为可行的选择是采用燃料电池。进一步研究表明，燃料电池的使用提升了整体系统效率。由于燃料电池无排放，不会对环境产生污染[10]。

燃料电池通过电力电子转换器接入电网。该系统通常使用天然气，在大部分负荷地区都可获取。它的发电单元产生的废热可以重新回收，是分布式发电最具前景的原因之一。

由于采用燃料电池废热驱动燃气轮机，进一步提升了整体效率。在该混合系统中，将燃料电池废气供给涡轮发电机单元，涡轮发电机组的功率一般可达15 MW。如果用于热电联产，采用SOFC更有优势。选择SOFC的主要原因是其具有较高的运行温度，由此获得的废气质量也会更高。

SOFC、PAFC、MCFC及PEMFC是最常见的燃料电池，其中SOFC是目前热电联产领域最合适的选择。燃料电池的运行温度越高，燃料处理系统也愈发简单。

天然气行业通常选用PAFC作为小型热电联产应用，电力公司也将该类燃料电池作为大容量电站之用。此类燃料电池的使用寿命远高于常规发电机的电力系统，同时被考虑应用于整个地区的供暖和制冷。

相比PAFC，MCFC的使用可获得更高的效率。然而，MCFC相关技术仍有待于改善，因此目前尚未用于商业化。一旦该类燃料电池的成本有所降低，MCFC可获得更广泛的应用。

同时，PEMFC也是用于分布式发电装置的有力竞争者，为住房建筑的最好选择。采用PEMFC用于分布式发电，所产生电能可用作后备电源或者峰值电源。目前，正在研究如何降低该类系统的整体成本，从而使其取代现有技术以应用于分布式发电装置。

3.2 燃料电池在建筑领域的应用

住房和商用建筑采用基于燃料电池的发电系统，主要优势是节能。这些应用一般可满足建筑的电气和供暖负载要求。通过使用该类系统提供电力和热能，可显著提高建筑的能量使用率，因此可以显著降低建筑的总体能源消耗。同时，用于建筑物供暖和制冷的传统设备与燃料电池系统的有机结合，将会形成热电联产系统。

一般而言，PEMFC被认为是供给建筑电力负荷和热负荷的最佳选择。目前，大部分建筑电气项目方面的努力均集中在商用建筑而非住房建筑。即使如此，依然有部分正在实施的项目采用该类技术对住房建筑供电。

总体上，PEMFC由于其成本低、体积轻小，非常适合于建筑物发电装置。然而，除了燃料电池，系统也会包含一些蓄电池组。该类蓄电池组通常包括铅酸电池，以提供峰值功率。

4 燃料电池在便携式设备领域的应用

4.1 便携式燃料电池的技术特点

燃料电池用于便携式设备时，和固定电源之间存在显著区别。便携式电源要求体积轻小并便于移动，必须具备高能量密度。而拥有几百瓦输出的电源设计，需满足便携、使用寿命长、启动快、成本低及安全等要求。

当考虑到与外界设备的协调工作时，电源需在各种环境下工作。另外，需具备低噪声且不排放有害气体如NOx和SOx，具有较高的可靠性。

在过去数年间，由于户外装置的增加，致使对便携式电源的需求量大幅增加。燃料电池为户外便携式装置提供了较好的解决方案。相关燃料电池的应用较为广泛的领域，可包括收音机、手机及便携式军事设备和系统。

4.2 燃料电池在后备电源领域的应用

传统的后备电源通常使用不间断电源系统（UPS）对负载进行持续供电。发电机组的输出波形通常会发生畸变，而通过UPS对负载供电，电压质量会有所提升。

在使用燃料电池作为后备电源的系统中，燃料电池取代了发电机组。此类系统的效率较高，且燃料电池的输出电压可直接与负载相连，无需通过UPS进行转换，可有效节约电力。

4.3 燃料电池在小型便携式电源领域的应用

在小型便携式电源中，由于蓄电池需要经常更换且成本较高，目前正考虑使用DMFC取代蓄电池，如收音机或手机。为了使燃料电池成功取代充电电池，燃料电池系统需满足结构紧凑，且可在小功率范围内运行。因此，燃料电池的最佳选择为DMFC。

基于DMFC系统便携式收音机的物理结构较为简单。在该应用中，使用重力取代泵送系统对燃料电池提供燃料。收音机的主要隔室是储存甲醇的容器，易于拆解。收音机的开关同时控制连接甲醇容器的真空管道。空气通过收音机后部的小入口进入。

手机采用的蓄电池充电设备也可考虑采用燃料电池。然而，技术方面的相关问题如燃料电池效率、燃料电池配置和材料成本等，都需要在燃料电池系统商业化前进行考虑和测试。

4.4 燃料电池在移动电源领域的应用

移动电源领域通常要求电源具有快速起动性和高频起动的特点，且必须同时满足低噪声、高效率及低排放等要求。由于燃料电池可用于现场发电，因此可有效降低电力的传输成本，提升系统整体效率。同时，该类电源在轨道车辆动力装置方面具有较大需求[11]，也可用于机载电子设备的电源。

4.5 燃料电池在军事电源领域的应用

通常，军事领域的应用要求电源具有大功率和高能量密度的特点。过去广泛应用的充电蓄电池重量较大、寿命较短，而先进的军事电源要求低成本、轻重量、小型化、可承受较强振动、高可靠性及可维护性[12]。

燃料电池相比蓄电池最主要的优势是，拥有高能量密度和较长的使用寿命，同时系统的每个单元也相对较低。除了相关优点，PEMFC系统结构紧凑，可承受军事任务中较为恶劣的操作环境。燃料电池在军事领域中主要应用在战术领域，如指挥、照明、无线电和其他设备等。其他一些领域可包括功率传感器、小型操作器等。

5 燃料电池在水下移动设备中的应用

5.1 燃料电池在水下载运工具中的应用

对于水下载运工具而言，燃料电池提供了优于蓄电池的解决方案。由于该类电源具有低噪声、高效率且易于添加燃料，应用于该类领域的PEMFC系统已得以开发，通常功率范围在20～30 kW。该类电源装置包括流体处理单元、热管理单元和控制单元。

需考虑的问题是它的安全性、效率、可靠性、耐久性及抗振性，以及对该类装置的测试，以确保其具备越有5 000 h的运行时间。该类装置的运行温度约为200 F，为此需保证PEMFC的高分子膜处于水饱和状态，因为高分子膜长期处于干燥状态较为危险。

反应物储存的安全性，如氢气是一大挑战。现行的方法是不断提升储蓄罐的压力，然而该过程安全性有待提升，且为了满足高压需求要布设诸多附加设备。此外，低温储存和可逆金属氰化物也可实现该目的。目前，化学氢气储存方法已被视作未来储存氢气的方法之一。如果该技术获得成功，可提供8～10倍于蓄电池的能量密度。

5.2 燃料电池在潜艇动力装置领域中的应用

燃料电池同样可用于军用潜艇。该领域通常采用柴油机发电机组作为动力装置[13-15]。但是，柴油发电机组具有效率低下、运行期间噪声较大的弊端，还会释放高温燃气，对潜艇的隐蔽性会产生巨大的负面影响。目前，以美国海军为代表的研发团体已将燃料电池作为重点关注对象，但其系统重量、可靠性、可维护性及水处理系统尚有待解决。

6 燃料电池在医疗设备领域中的应用

燃料电池的一个较有趣应用是医疗设备及配置。目前，科学家发明了用于医学领域的微型甲醇燃料电池。该类设备可被植入人类体内，如脑脊液泵分流和微胰岛素泵。医学领域中，燃料电池的应用通常要求小体积、生产简便、运行洁净、高效率及不产生危害材料等。

7 结 论

作为最具前景的能源技术之一，燃料电池的技术优势已日渐凸显。该项技术既经济又灵活，有效满足了市场需求，特别是分布式发电领域的需求。分布式发电及热电联产促进了燃料电池在电力系统中的应用，而燃料电池的应用则提高了分布式发电的效率与灵活性。近年来，环境污染问题得到了广泛关注，汽车排放与该类问题密切相关，而燃料电池在提高汽车电力系统的兼容性方面具有显著功效。因此，在公路运输领域，燃料电池的应用日渐广泛。简言之，不同类型的燃料电池应用于不同领域有着不同的性质和特点，应依据具体问题选择最适合的燃料电池系统，以满足负载需求。随着燃料电池技术的不断完善及成本的不断降低，燃料电池将会得到更广泛的应用。