浅谈新型清洁能源燃料电池

【摘要】燃料电池具有非同寻常的性能：清洁高效，电效率可达60%以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍了燃料电池的原理及分类，重点说明了其产品性能及应用前景。

【关键词】清洁；高效；燃料电池

燃料电池将燃料的化学能用化学方法直接转换成电能的发电装置，它利用水电解的逆反应原理，通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料（如天然气、甲醇或纯净氢气）的化学反应直接产生出电能。由于燃料电池不是热机，它不需承受热机的热力学损失项目，因此理论上它可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。此外，燃料电他装置不含或含有很少的运动部件，工作可靠，较少需要维修，且比传统发电机组安静。另外电化学反应清洁、完全，很少产生有害物质。所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有发展前途的能源动力装置。

一、燃料电池的分类

目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：

（1）运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池（PEMFC）；

（2）运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池（PAFC）；

（3）运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池（MCFC）；

（4）运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池（SOFC）。

可以将这些类型的燃料电池划分为低温型（100℃及以下）、中温型（约200℃左右）及高温型（600-l000℃）燃料电池。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电（数以W计），也可以给居民住宅（数kW）或是分散的电热设备和动力设备（数百KW到数MW）供电。

二、低温燃料电池

低温燃料电池产品常用的有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）和氢燃料电池等，上述电池产品都可以在室温下运作。

其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）具备体积小、重量轻、方便电池堆设计等优点，而且无须电源、稳压器充电，补充供电燃料也仅需数秒钟时间，为使用者提供极大的方便，可用作便携式电子设备如手机、笔记型计算机、个人数字助理（PDA），乃至数字相机及摄影机等的电源，具有广阔的应用前景。

目前日本夏普公司在直接甲醇燃料电池（DMFC）方面取得了快速进展，创造了该类型燃料电池的功率密度新高，达到0.3W/cc，功率密度是普通碱性电池的30倍，锂电池的6倍；而日本松下公司研究开发的家用聚合物电解质燃料电池（polymer electrolyte fuel cell，PEFC）可以使用4万个小时和4000个循环使用周期，这种家庭电源使用的电池组产品即将投入量产。

氢燃料电池常用作新型汽车能源，氢燃料电池车也一直被认为是未来汽车发展的方向。这种车不需要汽油，而是靠氢气化学反应后产生的电流驱动，排放出来的是纯净的水。正因为具有低能耗、零排放的特点。目前欧美日韩等国的氢燃料汽车已经进入商业化阶段，我国虽起步较晚，但对汽车用氢燃料电池方面的研究进展迅速，由上海开发的氢燃料电池车超越三号的燃料电池体重不过275公斤，功率则达到了50千瓦，最高时速也超过了120公里。

三、中温型燃料电池

目前磷酸类燃料电池（PAFC）是开发时间最长、具有最先进技术的燃料电池。80年代，IFC（国际燃料电池公司）决定对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售200kW的PAFC装置，并将其投入市场。东芝公司在80年代末就已经努力使PAFC技术进入商用市场。从此，PAFC技术就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了500多台套PAFC燃料电池装置。

研究表明，这种燃料电池未能实现市场商业化的原因大致有以下几方面：

（1）电效率最高为40%，超过维修期限后会降到35%甚至更低水平。通常情况下设备的使用期限不超过20000运行h。

（2）有些试验性的设备如东芝公司管理的1套11MW设备未能达到顶期的性能水平。

（3）美国和日本政府大幅度削缩用于PAFC技术研究和开发的投资。

（4）从迄今积累的经验及在改善设计参数和降低产品成本方面的潜力来看，让PAFC技术成功地跻身于当今的市场中的可能性是极低的。

四、高温燃科电池

1.高温型燃料电池的特点

高温型燃料电池具有许多适于在静止式装置上使用的特性。但是在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点：

（1）不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料。

（2）对CO完全没有限制。CO参加到电化学反应过程并像H2一样被氧化。

（3）对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在设备内部被转换成H2和CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。

（4）高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kPa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约20%，因此使总的电效率提高10%，可成倍地降低使用期限成本。

（5）较高的运行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达60%或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。

2.高温燃科电池技术

MCFC和SOFC是这类高温型燃料电池的2种技术。它们使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐作为电解液，如果没有采取防止电极老化的措施，燃料电他的使用寿命会受到影响。

在MCFC中电化学反应是由CO3离子引发的。MCFC采用的是颊型电池，和SOFC型的管形设计方案相比，这种颊型电他的功率密度要稍微高一些。这在成本上要比SOFC型装置优越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常稳定，可以用在950-1000℃范围内，所以SOFC装置在抗老化性能上更具优越性。到目前为止，所有的长期电池试验和正在运行的试验性机组都表明SOFC型装置的使用寿命可以达到70000-80000h，是MCFC型的2倍。

MCFC和SOFC两种技术在进行100-250kW功率范围的单循环现场试验中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC开发上占有主导地位的是美国的Fuel Cell Energy公司及其在德国的授权单位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工（IHI）和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC开发上处于领先水平。

3.SOFC在配电市场方面的潜力

经济的提升、人民生活水平的提高、人口的不断增加、工业化的蔓延等都对世界能源供给造成巨大压力，但随着石油及矿物燃料价格的不断上升以及人们对于环境污染的日益关注，世界对使用清洁能源发电的需要也越来越高，这势必推动固体氧化物燃料电池（SOFC）市场的发展。而且对于分布式电源的需求，以及传统输电及配电系统建设及维护的巨大成本，也为固体氧化物燃料电池技术的推广提供了机会。北美和欧洲被认为是SOFC燃料电池技术最有希望的市场。

预计固体氧化物燃料电池将在未来的几年中强劲增长，其中最主要的应用领域是固定式发电站。全球工业分析家预计日本从2011年到2015年固体氧化物燃料电池市场将达到8.81%的复合年增长率；美国及欧洲市场在2012年将达到3.93亿美元。

4.SOFC技术应用的扩展

使用天然气作为燃料的SOFC是车载式装置，其扩展应用可有以下几种形式：

（1）家庭应用：新一代燃料电池将是扁平管型的，其功率密度是目前所用圆柱型燃料电池技术的2倍，因而将制造出5kW的燃料电池装置。这种设计方案是可行的，在配电市场中可以替代圆柱型燃料电池。

（2）l0MW以上的系统装置：很显然，只要SOFC技术占有了功率范围在250-10MW的市场，那么下一步最必然的是要争取占有l0MW以上更大规模发电设备的市场。通过把更多SOFC链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20MW级规模燃料电池的电效率已经接近甚至超过70%。

（3）用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将SOFC的应用局限在靠近天然气供气网的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制。因此存在着让SOFC使用液态燃料的迫切要求。因此，应与大型石油公司合作进行该课题的研究开发，选择一种适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的SOFC发电装置，以便为边远的用户服务。

（4）C02的分离：Shell公司和Siemens Westinghouse公司正在共同研制一种能将CO2从完全反应后的燃料中分离的SOFC设飞方案。例如，当把其装在用于回收油的平台上时，可以把CO2用泵压到地下储层中，这不但可省去CO2的排放税，还可提高原油的产出量。

（5）综合性应用：CO2分离装置可能是点火的火花装置，它使得SOFC在一种封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过一段时间，SOFC能产生出热量和电力，例如用于大型暖房的设施中，SOFC装置产生的C02可用来加快植物的生长。而任何一种农作物收获后的剩余有机物都可以转化为气体供给SOFC作燃料。

五、结束语

在能源危机濒临的今天，燃料电池作为一种新型清洁能源越来越受到各国政府的重视，随着对燃料电池技术研发的不断深入，相信不久的将来，燃料电池将会广泛应用于我们的日常生活中。