2026-04-11 09:35:51
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圖1 PEMFC工作原理圖
氫氣和氧氣分別到達電池的陽極和陰極。在膜的陽極一側，氫氣在陽極催化劑的作用下解離為氫離子(質子)hedaifudiandedianzi，qingliziyishuihelizidexingshi，zaizhizijiaohuanmozhongcongyigehuangsuanjizhuanyidaolingyigehuangsuanji，chuanguozhizijiaohuanmo，zuihoudaodayinji，shixianzhizidaodian。yucitongshi，yinjideyangfenziyucuihuajijifachanshengdedianzifashengfanying，bianchengyanglizi，zaiyangjidaifudianzhongduanheyinjidaizhengdianzhongduanzhijianchanshengleyigedianya。ruguocishitongguowaibudianlujiangliangjixianglian，dianzijiuhuitongguohuilucongyangjiliuxiangyinji，congerchanshengdianliu。tongshi，qingliziyuyanglizifashengfanyingshengchengshui。
燃料電池的種類很多，可按照工作溫度大致分為工作溫度在200℃以下的低溫燃料電池、工作溫度在600℃以上的高溫燃料電池，以及工作溫度在200~600℃之間的中溫燃料電池。屬於低溫燃料電池的有堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、直接甲醇燃料電池、金屬空氣燃料電池和生物燃料電池等。屬於高溫燃料電池的有熔融碳酸鹽燃料電池(650℃)、固體氧化物燃料電池(720~1000)℃。屬於中溫的燃料電池主要指發展中的低溫固體氧化物燃料電池(400~600)℃。
三 幾種常見的低溫燃料電池
1質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池的電解質是固體有機化合物，也稱為聚合物電解質燃料電池。固體聚合物燃料電池，通常工作溫度為80℃。
20世紀60年代初，美國通用電氣(GE)公司發明了第一台PEMFC，並首次作為主電源，應用於 “雙子星座”飛船。隨後，美國杜邦公司成功開發含氟的磺酸型質子交換膜，使PEMFC的壽命超過了57000小時。美國通用電氣公司采用內部加濕和增大陰極區反應壓力的辦法解決了 PEMFC在工作過程中的膜幹涸問題。但仍存在兩點不足：1、貴金屬催化劑用量太高(4 )；2、電池要得到可觀的電流密度，必須以純氧作氧化劑，因而限製了其應用。20世紀80年代，加拿大巴拉德動力係統公司開始研究用空氣代替純氧，采用石墨極板和Dow化學公司研製的新型聚合物膜，開發出性能更高的係統，其電流密度可達4.3 ，為燃料電池的客車提供燃料電池發動機。2005年9月胡錦濤主席專門訪問過該公司。進入20世紀90年代，在各國科學家的努力下，技術日趨成熟。目前，這種PEMFC的質量比功率和體積比功率分別達到1000W/kg和1700W/L；在降低成本方麵，國際上已取得了突破性進展。PEMFC有望成為電動汽車和潛艇(AIP)的最佳動力源。PEMFC的研究已經成為各類燃料電池研究中的主流。
典型PEMFC發電體可由一個或若幹個電池單體組成。電池單體主要由膜電極、密(mi)封(feng)圈(quan)和(he)帶(dai)有(you)導(dao)氣(qi)通(tong)道(dao)的(de)集(ji)流(liu)板(ban)組(zu)成(cheng)。膜(mo)電(dian)極(ji)中(zhong)間(jian)為(wei)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)，它(ta)除(chu)了(le)有(you)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)功(gong)能(neng)外(wai)，還(hai)可(ke)起(qi)到(dao)隔(ge)離(li)燃(ran)料(liao)氣(qi)體(ti)和(he)氧(yang)化(hua)氣(qi)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)。膜(mo)兩(liang)邊(bian)是(shi)氣(qi)體(ti)電(dian)極(ji)，它(ta)由(you)兼(jian)作(zuo)電(dian)極(ji)導(dao)電(dian)支(zhi)撐(cheng)體(ti)和(he)氣(qi)體(ti)擴(kuo)散(san)層(ceng)的(de)碳(tan)紙(zhi)和(he)催(cui)化(hua)劑(ji)(多采用納米金屬Pt)組成。目前對膜電極結構和新型催化劑的研究工作日益增多。
2磷酸燃料電池(PAFC)
磷酸燃料電池的電解質為液體磷酸，通常工作溫度為250℃。目前應用最多的是分布式燃料電池電站。全世界有200多座200kW的PAFC電站在運行。
美國聯合技術公司(UTC)是世界上最成功的磷酸燃料電池(PAFC)製造商。UTC在20世紀70年代初試驗了65台FC-11型12.5kW的PAFC。1980年代試驗過53台FC-18型40kW的PAFC電站。
1991年世界上第一個商業化的PC-25型的200kW的PAFC成功運行。到目前為止， PC-25已經成功運行超過4萬小時，其熱電總效率達80%。
美國能源部(DOE)委托美國聯合技術公司，組織9個電力公司從1971年開始研究燃料電池在電力工業上的應用，稱為FCG-1計劃，該計劃的目標是建立大型燃料電池發電站。1977年建成1MW電站，1980年在紐約建成4.5MW試驗電站，1983年在東京建成第二個4.5MW試驗電站，後來又發展成商品型11MW的PC-23電站，於1991年4月開始在東京發電。
美國是最早發展PAFC電站技術的國家，而日本是PAFC電站技術發展最快的國家，它僅用了10~15年的時間，就成為和美國一樣的世界上PAFC電站技術發展水平最高的國家。目前，美國IFC公司和日本的東芝公司是PAFC技術水平最高的公司。日本政府自1981年開始執行“月光計劃”，即國家的燃料電池發展計劃(日本政府的燃料電池研究和發展計劃自1974年開始是“陽光計劃”的一部分，1981年轉成“月光計劃”。在1981~1986年期間，“月光計劃”預算撥款4400萬美元，其中3000萬美元用於發展PAFC係統，發展小型分散供電電站和大型集中供電電站。月光計劃原為10年計劃，1987年改為15年計劃(到1995年)，總的研究與發展經費預算為 570億日元。
日本製造商在電力公司、煤氣公司的通力合作下，已可生產50kW、100kW、200kW電站，並組裝為1MW、5MW、11MW等各種規格的PAFC示範電站。日本生產PAFC電站的公司主要是富士、東芝 、三菱、日立。
英國、德國、荷蘭、比利時、意大利、丹麥、瑞典、芬蘭等九個國家22家公司於1989年9月11日成立了歐洲燃料電池集團(EFCG)，總公司設在英國倫敦。計劃3年內投資2500萬歐元與美日競爭。他們購買美國、日本的PAFC電池電站進行示範試驗，以取得PAFC在歐洲的運行、維修經驗；並利用自己在燃料處理及交、直流電能轉化方麵的先進技術來開展PAFC電站技術的研究和發展工作。
PAFC隻限於固定電站，因為它的工作溫度在200℃左右，作為熱電聯供時，其餘熱利用價值較低，因此人們對PAFC的興趣日益減少，有被其它高溫燃料電池取代的趨勢。
3堿性燃料電池(AFC)
堿性燃料電池的電解質為液體氫氧化鉀或者液體氫氧化鈉，通常工作溫度為50℃。它是最早獲得應用的燃料電池。
1950年代，英國劍橋大學的F.T.Bacon教授用高壓氫、氧氣體演示了世界第一個功率為5kW的堿性燃料電池(AFC)，工作溫度為150℃。隨後建造了一個6kW的高壓氫氧堿性燃料電池的發電裝置。進入20世紀60年代，由美國聯合技術公司把該係統加以發展，成功地為阿波羅登月飛船提供電力。
堿性燃料電池的研究工作基本已在20世紀70~80年代末中止，因為堿性電解質液體氫氧化鉀、氫氧化鈉易與空氣中的CO 生成K CO 和Na CO 沉澱，嚴重影響電池性能。而要除去CO ，這在常規環境中有很大的困難。現在堿性燃料電池基本已被PEMFC取代。
90年代後期，德國西門子公司在原有的AFC基礎上，將8個6kW氫/氧AFC電堆組合在一起構成的48kW的AFC電堆，該電堆輸出電壓192V，輸出電流250A，該公司還用AFC電堆裝備了一艘德國潛艇。現在，西門子公司用PEMFC裝備德國U31潛艇。20世紀90年代，德國卡爾斯魯厄研究中心研製了以AFC作為動力的汽車，這是德國第一輛用燃料電池作動力的汽車，現陳列於德國奧海姆技術博物館。德國卡爾斯魯厄研究中心的AFC研製工作現已停止。堿性燃料電池在地麵上的應用幾乎全部停止。其最輝煌的曆史記錄是曾在航天飛行中得到應用。
常見的低溫燃料電池的基本情況見表1。
表1 常見低溫燃料電池
四 低溫燃料電池係統
從前麵介紹的燃料電池的特點來看，燃料電池實際不是“電池”，而是一個發電裝置一發電機。它需要由燃料供應係統、氧化劑係統、發電係統、水管理係統、熱管理係統、電力係統、控製係統及安全係統組成。
燃料供應係統給燃料電池提供燃料，如氫氣、天然氣、甲醇等。如果直接采用氫氣，這一係統就比較簡單，如果用化石燃料重整製取氫氣，係統就會相當複雜。
氧化劑係統主要是給燃料電池提供氧氣，可以直接使用純氧，也可能是用空氣中的氧。
發電係統是指燃料電池本身，它將燃料和氧化劑中的化學能直接變成電能，而不需要經過燃燒的過程，它是一個電化學裝置。
水管理係統：由(you)於(yu)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)中(zhong)質(zhi)子(zi)是(shi)以(yi)水(shui)合(he)離(li)子(zi)的(de)狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)傳(chuan)導(dao)，所(suo)以(yi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)需(xu)要(yao)有(you)水(shui)，水(shui)少(shao)了(le)，會(hui)影(ying)響(xiang)電(dian)解(jie)質(zhi)膜(mo)的(de)質(zhi)子(zi)傳(chuan)導(dao)特(te)性(xing)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)。由(you)於(yu)在(zai)電(dian)池(chi)的(de)陰(yin)極(ji)生(sheng)成(cheng)水(shui)，所(suo)以(yi)要(yao)及(ji)時(shi)地(di)將(jiang)這(zhe)些(xie)水(shui)帶(dai)走(zou)，否(fou)則(ze)會(hui)將(jiang)電(dian)極(ji)“淹死”，造成燃料電池失效。可見水的管理在燃料電池中至關重要。
熱管理係統：duiyudagonglvranliaodianchieryan，zaiqifadiandetongshi，youyudianchineizudecunzai，bukebimiandihuichanshengreliang，tongchangchanshengdereyuqifadianliangxiangdang。erranliaodianchidegongzuowendushiyouyidingxianzhide，ruduiPEMFC而言，應控製在80℃，yincixuyaojishijiangdianchishengchengderedaizou，fouzejiuhuifashengguore，shaohuaidianjiezhimodeyanzhongshigu。shuihekongqishichangyongdechuanrejiezhi。dangranzheyixitongzhongbixubaokuobeng(或風機)、流量計、閥門等。
電力係統：指將燃料電池發出的直流電變為適合用戶使用的電，如交流220V，50Hz等。
控製係統：是能及時監測和調節燃料電池工況、遠距離數據傳輸的係統。
安全係統：由於氫是燃料電池的主要燃料。氫的安全十分重要，由氫氣探測器、數據處理係統及滅火設備等構成氫的安全係統。
當(dang)然(ran)，由(you)於(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)多(duo)樣(yang)性(xing)，用(yong)戶(hu)對(dui)象(xiang)的(de)不(bu)同(tong)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)部(bu)分(fen)係(xi)統(tong)可(ke)能(neng)被(bei)簡(jian)化(hua)以(yi)至(zhi)於(yu)取(qu)消(xiao)。如(ru)微(wei)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)就(jiu)沒(mei)有(you)獨(du)立(li)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)安(an)全(quan)係(xi)統(tong)。燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)原(yuan)理(li)圖(tu)參(can)見(jian)圖(tu)2。
圖2 燃料電池發電係統
五 燃料電池簡史
燃料電池的曆史可以追溯到19世紀英國法官和科學家威廉·格羅夫爵士的工作。1839年，格羅夫進行了電解實驗一使用電將水分解成氫和氧。
格ge羅luo夫fu推tui想xiang到dao，如ru果guo將jiang氧yang和he氫qing反fan應ying就jiu有you可ke能neng使shi電dian解jie過guo程cheng逆ni轉zhuan產chan生sheng電dian。為wei了le證zheng實shi這zhe一yi理li論lun，他ta將jiang兩liang條tiao鉑bo金jin帶dai分fen別bie放fang人ren兩liang個ge密mi封feng的de瓶ping中zhong，一yi個ge瓶ping中zhong盛sheng有you氫qing，另ling一yi個ge瓶ping中zhong盛sheng有you氧yang。當dang這zhe兩liang個ge盛sheng器qi浸jin人ren稀xi釋shi的de硫liu酸suan溶rong液ye時shi，電dian流liu開kai始shi在zai兩liang個ge電dian極ji之zhi間jian流liu動dong，盛sheng有you氣qi體ti的de瓶ping中zhong生sheng成cheng了le水shui。為wei了le升sheng高gao所suo產chan生sheng的de電dian壓ya，格ge羅luo夫fu將jiang幾ji個ge這zhe種zhong裝zhuang置zhi串chuan聯lian起qi來lai，終zhong於yu得de到dao了le所suo謂wei的de“氣體電池”（圖3）。
圖3 格羅夫電池
從該實驗開始，迄今對燃料電池的研究已經有160多年曆史。1889年英國人Mond和Langer首先采用燃料電池名稱，他們用空氣和工業煤氣製造了第一個實用的裝置。並獲得0.2A/cm 的電流密度。20世紀初，W.H.Nernst和F.Haber對碳的直接氧化式燃料電池進行了許多研究。20世紀中葉以來，燃料電池的研究得到迅速發展。20世紀50年代末，英國劍橋大學的培根教授用高壓氫、氧氣體演示了功率為5kW的燃料電池，工作溫度為150℃。隨後建造了一個6kW的高壓氫氧燃料電池的發電裝置。進入60niandai，youmeiguotongyongdianqigongsibagaixitongjiayifazhan，chenggongdigeieboluodengdengyuefeichuantigongdianli。suihou，jizhaowajidelinsuanranliaodianchidefadianzhuangzhiyeyanzhichenggong，zairibendongjingwanfujinshifan。xianzai，200多duo台tai磷lin酸suan燃ran料liao電dian池chi電dian站zhan在zai世shi界jie各ge地di示shi範fan運yun行xing。日ri本ben首shou相xiang成cheng為wei燃ran料liao電dian池chi轎jiao車che的de第di一yi位wei乘cheng客ke，其qi官guan邸di則ze使shi用yong質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi熱re電dian聯lian供gong電dian站zhan；燃料電池公共汽車在歐美十幾個城市和北京進行預商業化示範；上千台燃料電池熱電聯供電站在日本的家庭示範工作(圖4)，燃料電池已經站在商業化的門前。
圖4
圖4為2007年2月日本東京召開的第三屆國際氫能與燃料電池展覽會上展出的三套1kW家用質子交換膜燃料電池熱電聯供設備。圖中矮櫃為1kW燃料電池發電站，高櫃為熱水儲罐。
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