燃料电池技术综述 姜亮 （重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００４４） 摘要：燃料电池作为一种新能源技术，有着广阔的应用前景。而很多读者对燃料电池这个概念还很陌生，甚至混淆了 其与传统电池的区别和差异。本文主要从燃料电池的一般定义、分类、特点及应用等方面作了综述性介绍。本文还从 工作原理、＿Ｔ－作方式两个方面将燃料电池与传统电池和热机发电机作了类比，辟清了它们之问的联系和差异。此外， 本文还简要阐述了当前燃料电池大规模商业化遇到的主要问题。 关键词：燃料电池；综述；传统电池；热机发电机 １．引言 燃料电池可以高效地、环境友好地将储存在燃料 中的化学能等温地转化为电能，氢是燃料电池的最佳 燃料。 今天，发达国家中与汽车、能源相关的大公司均 已引起了世界各国的高度重视，发达国家已投入巨资 ｌ支持燃料电池技术的研究和开发 ｌ，我国也将燃料 电池技术列入国家科技攻关计划之中。现在，燃料电 池及其相关技术的研究与开发已经成为近些年的热点 课题，在国防和民用的电力、汽车、通信等研究领域 的应用已取得非常有意义的进展。 很多读者对着燃料电池这个概念还很陌生，甚至 在加速进行燃料电池的开发。专家们预计燃料电池的 应用将在未来几年里激增，它广泛用于众多领域，小 １ 到家用电器、手机、笔记本电脑；大到发电站、电动汽 混淆了其与传统电池的区别和差异。 因此，笔者觉得很有必要结合当前国际、国内对 燃料电池的研究情况对燃料电池这一高端前沿的技 术进行一个科普性的介绍。 车、航空航天等领域。 燃料电池有着广阔的应用前景，本文通过收集到 的各种资料总结概括了燃料电池这种新技术所蕴藏的 前景： ２．燃料电池概述 ２．１燃料电池工作过程简述 关于燃料电池的具体Ｔ作过程，读者可以查阅相 １、燃料电池由于其能量转化效率高、环境污染小， 被誉为２１世纪的新能源之一，它承载着人类实现高效 ｌ 率和零排放发电的梦想…； ２、燃料电池被看作是继火电、水电和核电之后的 ｝ 关专业书籍Ｉ］３１，本文仅就笔者自己对燃料电池宏观Ｔ 作过程的认识作 介绍。 － 发电方式； ３、燃料电池被认为是２１世纪首选的高效洁净的 发电技术，如美国把燃料电池列为仅次于基因组计划 本文认为燃料电池的Ｔ作情况有与传统电池和热 机发电（如汽油发电机、柴油发电机等）类似的地方， 当然更有其独特的特点和优势。下面将来分析和介绍 它们之间的异同之处。 传统电池（如干电池、蓄电池等）对我们来说并 不陌生。该类电池中，化学能直接转变为电能是靠电 和超级材料之后的第 项尖端技术口 。 新能源技术被认为是新世纪世界经济发展中最具 Ｉ 有决定性影响的领域之一，燃料电池的广阔应用前景 ３０ 【师生寄语】创特色，树品牌，领教育风骚；谋发展，提品位，展科院风貌。 ——冶金学院曾飞 学术起跑线Ｉ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｌｉｎｅ 池内部自发进行氧化、还原等化学反应，这种反应分 １ 噪声低等突 优点。别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在 大学科普《器 如前所述，燃料电池工作原理与传统电池相同， 电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金 ｝ 但燃料电池并不存储能量，它仅作为一种能量转化装 属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并 Ｊ 置；其工作方式与热机发电类似，即只要能连续地供 在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化 应燃料和氧化剂（并且不断排除产物），燃料电池就 能连续发电，而且电极不被消耗。这样看来，燃料电 池即综合了传统电池以及热机发电两种获取电能方式 的优点和长处，具有相当强的竞争能力。 铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类， 含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性 的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、 熔融盐或固体电解质等。 简单说，传统电池就是一种集能量存储和转换于 一２．２燃料电池的定义及种类 燃料电池通常被定义为：只要向电极提供反应物， 它就能连续地把供给燃料的化学能转化为电能（和热） 的电化学装置或器件 。它的本质就是在电池Ｔ作过程 中，电极和电解质都不被消耗。当然，电极和电解质 在使用过程中会逐渐 现破损。 由于篇幅所限，本文在此只给出分类的方法及名 体的装置。 它的主要特点，本文纳为三点： 一、传统电池一次只能输出有限的电能，主要决 定于电池内反应物的多少； 二、电极在电池工作过程中会不断变化，电极本 身就是参与或部分参与化学反应； 三、由于前两个特点，传统电池的供电电流、 压都是时刻变化的，其Ｔ作状态是不稳定的。 燃料电池的Ｔ作原理与传统电池相同，即燃料中 的化学能通过电化学反应直接转换成电能；同时，燃 称，对各个种类的燃料电池不再进行详细介绍。 按燃料及其使用方式分类：直接式燃料电池、间 接式燃料电池、再生式燃料电池。 按Ｔ作温度的高低分类：低温燃料电池、中温燃 料电池、高温燃料电池。 料电池的工作方式与汽油、柴油发电机有些类似，它 也可以不断地从外部获得燃料，不断地输出电能，不 断地排放反应产物。 按所用电解质类型来进行分类：碱性燃料电池 （ＡＦＣ）、质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）、磷酸型 燃料电池（ＰＡＦＣ）、熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）、 固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）。 燃料化学能 ＿垄１ 热能■ ．± 机械能垄皇 堕［．电能 但燃料电池与汽、柴油机的发电过程是不同的。 热机发电一般要经过这样的过程： 上面是目前大家普遍认同的分类方式，在近些年 的科学期刊中还经常提到其他的燃料电池和电池，这 些电池有时也被称为燃料电池，但按照上面给 的燃 料电池定义来看，它们就算不上真正意义上的燃料电 池了，也将他们列 来。 如生物燃料电池０ 、金属一空气燃料电池…、氧化 在以上过程中，燃烧过程会产生污染，热机转换 过程产生噪声，每一步转换都有能量损失，如热能转 换为机械能时，热机效率受到卡诺循环的。热机 发电过程中能量转化的环节众多，这就使得它作为一 种获得电能的方式的竞争性下降。 还原液流电池、可再生燃料电池等。我们也欣喜地看 到在重庆大学动力Ｔ程学院燃料电池研究所在微生物 与热机发电相比，燃料电池通过其阴阳两极上发 生的电化学反应，直接将化学能转换为电能，转换过 程没有燃烧，不使用热机，也没有发电装置，大大减 少了从化学能到电能的转换环节，具有效率高、污染小、 燃料电池和甲醇直接燃料电池等方面开展了卓有成效 的Ｔ作，并取得了不错的研究进展。 ３．燃料电池的特点 ３．１效率高 【师生寄语】绿树红花，芳草青青，科院今朝正美好；蓝天碧水，白云悠悠，科院明日更辉煌。 ——３１ 数理学院刘春兰 燃料电池利用等温的电化学反应将化学能转化为 电能，转化效率可达７５％一１００％ 。但目前水平下，实 际效率只有４０％一６０％。尽管如此，其效率依然比火力 ③热管理子系统：冷却和进行余热利用； ④电力转换子系统：直流、交流转换，调整和稳 定电压； 发电效率（３０％一４０％）高些，一般也比活塞或涡轮状 内燃机效率要高些。此外，燃料电池另一个显著特征 就是小型系统的效率与大型系统相当１２１，这对于地区小 型热电联产系统来说很重要。 ３＿２污染低 燃料电池当以氢气作为燃料时，唯一的产物是水， 实现零污染排放 。。这正是燃料电池应用于汽车的最大 优点，也是减少汽车废气排放甚至在城市消除废气的 需要。 ⑤电池自动监视系统：对燃料电池整个系统Ｔ作 状态进行监视。 燃料电池的高效Ｔ作离不开这些子系统的密切配 合，在工作的过程中其中的任一子系统出现故障或问 题，都会对整个燃料电池系统Ｔ作的可靠性、寿命以 及实用性起到重大影响。 ５。燃料电池的应用 燃料电池有几种不同的类型，各种燃料电池的技 术特点、应用范同有别，其发展程度也不同。根据目 前情况看来，燃料电池的主要应用包括分散式电站、 运输Ｔ具动力、移动式电源以及其他用途。 ５．１分散式电站 在过去的几年中，电力Ｔ业正发生着结构变化， 但要指 的是，在生产氢气时还是要产生和排放 二氧化碳。但即使使用由化石燃料（如天然气）经过 重整后获得的氢气或富氢气体，其制氢过程中所排放的 二氧化碳量也较少，远远少于火力发电所排放的量。 ３．３噪声低 火力、水力、核电均需要大型涡轮机，因此会产 集中供热正受到分散式供电的挑战。 现在的电力Ｔ业是垄断性产业，南于规模效益， 发电厂的规模都很大，而且远离用户，电力通过高压 线及变电站输送到用户。分散式发电站，包括汽轮机 发电站、内燃机发电站、太阳能发电站、风力发电站、 生大的噪声。而燃料电池由于只有极少数的运动部件， 噪声很低，这个特点对于其便携化和将其建在居民区、 办公区创造了前提条件；￣ｋＪ，ｂ由于燃料电池只有极少 数的运动部件，因此其可靠性和稳定性都相当高。 ３．４机动灵活、使用范围广 由两个电极夹一层电解质，就构成了燃料电池的 基本单元，即单电池。将这些基本单元组装起来就构 成了电池组，再将电池组集块集合起来就构成了燃料 发电装置，根据需要灵活组装，建设成本低，周期短。 燃料电池发电站等，与用户距离很近，有利于降低成本、 改进服务。燃料电池是近几年才用于分散式供电系统 的，它效率高、污染低、噪声低、可靠性高、易于实 现自动化，与其他类型电站兼容性强，这些优点使得 燃料电池备受关注。 作为分散式发电站，燃料电池发电站有如下几个 显著优点： 一４．燃料电池系统简介 燃料电池发电系统的核心是电池堆，此外燃料电 池系统还包括了很多其他功能各异的系统和部件，系 统设计和完成是一个非常复杂的过程。这些辅助系统 的设计将影响燃料电池的制作成本、运行状态、复杂性、 可靠性、寿命和实用性。 一、燃料选择灵活，可以使用多种燃料或经其他 燃料重整后所获的燃料，比如氢气、甲醇、天然气、沼气、 煤气及其他化石燃料。 二、低污染，ＮＯｘ小于１０ｍｇ／ｍ ，ＣＯ小于６ｍｇ／ｍ ， Ｓ０２低于检测限，噪声低于６０ ｄＢ ； 三、ＣＯ，排放量少； 般来说燃料电池系统包括以下几个重要子系统 ①燃料子系统：负责燃料的存储、处理和运输； 四、标准化容量范围宽（ＫＷ—ＭＷ）； 五、可靠性高，维护费用低。 ②燃料电池子系统：主要是指燃料电池堆； ３２ 【师生寄语】六十载的励精图治，德业可新；六十载的春华秋实，桃李满园。 ——数理学院邓允 学术起跑线Ｉ Ａｃａｄｅｍｉｃ ｓｔａｎ＿ｎｇ Ｌｉｎｅ 但总的来说，目前燃料电池供电成本较高，因此 商业化程度还不高，相信通过改进技术、扩大规模后， 燃料电池发电站会有一个比较好的前景。 大学科普《骜 便携式燃料电池一般是指功率在１－１０００Ｗ之间的 小型燃料电池，可用于照明、通讯、微型电器等，便 携式燃料电池除具备高效洁净的特点外，还具备以下 特点：操作简便、寿命长、启动快、体积小、质量轻、 可靠性高、安全性好等；其最大的特点是能量密度大 而且可通过加注燃料快速“充电”。 ５＿２运输工具动力 目前机车采用内燃机驱动，能量转换效率大约为 ３０％左右，从燃料到车轮的效率只有１５％左右 ｌ。 使用燃料电池系作为动力，能量转换效率可达 ５０％左右，从燃料到车轮的效率可达２５％ｌ５］。 燃料电池是一个电化学反应系统，主要产生电能， 并把氢气和氧气转化成水。内燃机则主要产生热能， 只有一少部分变成有用的机械功，而且燃烧尾气成分复 ６．小结 燃料电池作为一种高效洁净的电源，拥有如此多 的优点，必然有着广阔的应用前景。 但事实是，在１８３８年发现燃料电池原理，１８４２年 发明第一个燃料电池之后，１６０多年过去了，燃料电池 杂，包括ＮＯｘ、ＣＯ和挥发性有机物（ＶＯＣ）等，严重 地影响了空气的质量。 这项技术仍主要用于空间和国防。 本文将此原因概括为两个方面： 一单就ＣＯ 而论，同样使用化石燃料，燃料电池取 得单位有用功所排放的ＣＯ，量比热机系统要低得多。 目前作为交通Ｔ具动力的燃料电池，其发展的焦 点集中在ＰＥＭＦＣ的身上，主要是因为ＰＥＭＦＣ具备低 温快速启动、无电解液腐蚀溢漏问题等交通动力所必 须具备的特点 】。 现在有样车测试表明，燃料电池为动力的公共汽 、燃料电池仍处于开发阶段，价格昂贵，制造 燃料电池需要高度专业性的电化学原件及耐腐蚀器件， 这些元器件远未达到低成本批量生产的规模，使得燃 料电池发电成本还不能与火电、水电以及核电相竞争； 二、大多数燃料电池所需要的氢气也是个制约 燃料电池大规模商业化的瓶颈因素 ，氢气从制取、 输运、储存等等环节都还有相当多的技术难题需要去 一一车的最高时速和爬坡能力与柴油发动机公共汽车相当， 而加速性能还优于柴油发动机 ｝。 克服。 言而总之，燃料电池技术有着广阔的应用前景， 但目前来讲仍然任重而道远。 ５．３移动式（便携式）电源 简单来讲，人们对便携式电源的要求就是体积小、 质量轻、丁作可靠，而且提供的电能要尽量多，持续 供电时间尽量长。 从目前来看，常用的锂电池的能量密度提升空间 参考文献 【１】詹姆斯・拉米尼，安德鲁・迪克斯．燃料电池系统（第 二版）【Ｍ】．朱红译衣宝廉校．北京：科学出版社，２００６． 已经不大。燃料电池密度大，数倍于锂电池，可通过 加注燃料快速“充电”。因此，燃料电池成为了便携 【２】曹殿学，王贵领，吕艳卓，等．燃料电池系统【Ｍ】．北京： 北京航空航天大学出版社，２（）０９． 【３】王林山，李瑛．燃料电池（第二版）【Ｍ】．北京：冶金工 业出版社 ２ｔ）０５． 式电源的最具潜力的代表。 实现燃料电池商业化的手段是寻找市场突破口。 ［４】宋娟，杨亲正．固定化酶阳极修饰在酶生物燃料电池 研究中的进展Ⅲ．山东轻工业学院学报（自然科学版）， ２（）１０．０３． 市场是多样化的，有些市场对商品的性能要求高，对 价格的承受能力也较高。便携式电源就属于这种市场， 它可望与价格也较高的其他便携式电源竞争。与蓄电 池相比，燃料电池电流密度大，效率高；与柴油发电 机相比，燃料电池无污染无噪声。 【５】陈育珩．氢能源技术预测与燃料电池产业发展策略规划Ｕ１． 太原理工大学学报， 一责任编辑：殷黎明 【师生寄语】师恩情，似海深；迎校庆，祝福真！博学科院，桃李芬芳满天下！六十华诞之际，祝福母校安康辉煌’ ３３ 教理学院李艳强
