1引言

　　燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。燃料電池工作原理是：氫氣或其他燃料進(jìn)入到陽(yáng)極，并在電極和電解質(zhì)的界面上發(fā)生氧化與氧氣還原的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流，輸出電能。

　　燃料電池是繼熱能發(fā)電、水力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)[2]。利用電化學(xué)反應(yīng)把燃料電池中燃料的化學(xué)能（即吉布斯自由能）直接轉(zhuǎn)換成電能，這樣不會(huì)受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，所以效率高[3,4]；此外，燃料電池用燃料和氧氣作為反應(yīng)物，有害氣體（SOX,NOX）的排放量極少；由于在整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，所以無(wú)噪聲污染。因此，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

　　到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種技術(shù)和結(jié)構(gòu)類(lèi)型的燃料電池，但是根據(jù)電解質(zhì)的不同，一般分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五大類(lèi)[1,5]。其中前三種類(lèi)型工作溫度不大于200℃，又稱(chēng)做低溫燃料電池，MCFC和SOFC的工作溫度大于650℃，叫做高溫燃料電池。

　　2 燃料電池系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

　　2.1組成

　　燃料電池PAFC的結(jié)構(gòu)最為典型，主要由四部分組成，分別是呈多孔狀態(tài)、涂有催化劑的陽(yáng)極、陰極、隔離電極的離子導(dǎo)電電解質(zhì)、集流體[6]（圖1）。單電池產(chǎn)生的電壓很低[6～8]（表1），所以需要鈀電池串聯(lián)成電池堆來(lái)提高電壓。燃料電池整裝機(jī)組由電池組、重整器與熱交換器（廢熱回收）、直流-交流轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控器一起構(gòu)成。PAFC、AFC和MCFC使用液態(tài)電解質(zhì)，兩個(gè)電極呈氣、液、固三相接觸，而SOFC和PEMFC使用固態(tài)電解質(zhì)僅呈兩相接觸，故在結(jié)構(gòu)上有所不同。

2.2特點(diǎn)

　　2.2.1高能量轉(zhuǎn)換效率

　　燃料電池屬于一種能源轉(zhuǎn)換工具，可以將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能而不用經(jīng)過(guò)熱能轉(zhuǎn)換、機(jī)械能轉(zhuǎn)換，所以不受熱機(jī)原理中卡諾循環(huán)的限制，能達(dá)到40%以上的發(fā)電效率，如PAFC的發(fā)電效率為42%，MCFC的發(fā)電效率大于60%，比傳統(tǒng)的火電廠高的多。此外，燃料電池在發(fā)電的同時(shí)還生產(chǎn)熱水和低溫蒸汽，電/熱比大于1.0，多呈汽電共生形式，其總的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%。

2.2.2可靠性好

　　由于不需要經(jīng)過(guò)熱能轉(zhuǎn)換，機(jī)械能轉(zhuǎn)換等復(fù)雜能量轉(zhuǎn)化，所以電池內(nèi)運(yùn)動(dòng)零件很少，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)零件和燃?xì)鉁u輪損壞等導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。套裝機(jī)組可以在線監(jiān)控，可以自動(dòng)操作。

　　2.2.3利于環(huán)保

　　燃料電池與普通電廠相比，極大的降低了CO2排放，大幅度減少粉塵、SO2和NOx的排放，改善空氣質(zhì)量，同時(shí)水的消費(fèi)和廢水排放大幅度降低。此外，燃料電池轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件少，消除了普通電廠的噪聲源。因?yàn)椴恍枰紵哉嫉孛娣e小，安全可靠，這種發(fā)電方式適合設(shè)置在城區(qū)作電源。以汽電共生方式可同時(shí)向旅館、餐廳、辦公樓、醫(yī)院、百貨公司提供電力和熱量大約需要40～1000kW的燃料電池；3～20kW的燃料電池可供住宅使用，高溫燃料電池對(duì)熱電廠的競(jìng)爭(zhēng)力更高。可以在孤立的邊遠(yuǎn)市鎮(zhèn)、礦區(qū)及軍隊(duì)哨所建立這種潔凈的小型汽電共生系統(tǒng)來(lái)提供電力、熱水、暖氣與空調(diào)，如新疆等地的油氣田，實(shí)用價(jià)值很高。

　　2.2.4穩(wěn)定性高

　　由于受負(fù)載因素及容量變化的影響不大，所以效率穩(wěn)定，。負(fù)載追隨迅速，可提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定度。

　　2.2.5燃料選擇范圍大

　　柴油、輕油、煤氣、天然氣、液化天然氣、沼氣、含氫廢氣等皆可使用。

　　2.2.6建廠時(shí)間短

　　廠址選擇限制少、占地面積小，建廠時(shí)間不超過(guò)兩年，可靠近用戶(hù)建立現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電裝置，減少了輸電系統(tǒng)的費(fèi)用。

　　由于燃料電池存在造價(jià)偏高、冷機(jī)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、長(zhǎng)期使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺少、電池組壽命比機(jī)組壽命短等問(wèn)題，所以要想實(shí)現(xiàn)商品化氦需要進(jìn)一步努力。除PAFC以外其它技術(shù)尚不夠成熟[9～13]。

　　3燃料電池的市場(chǎng)分析

　　燃料電池作為一種能量轉(zhuǎn)換率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)的清潔型新能源，在電動(dòng)汽車(chē)、分散電站、備用及輔助電源、便攜式電源、可移動(dòng)電源、特殊場(chǎng)合動(dòng)力源及軍用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池應(yīng)用主要?dú)w納為三方面[14]。

　　3.1交通運(yùn)輸

　　電動(dòng)汽車(chē)，包括大型公共汽車(chē)、貨車(chē)、小臥車(chē)、汽車(chē)等，要求在動(dòng)力系統(tǒng)中的重量、成本、壽命、一次加燃料行駛距離等方面均能優(yōu)于或等于現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)式汽車(chē)。同時(shí)也包括船舶，如潛艇、貨船等。它的特點(diǎn)就是用燃料電池裝備的潛艇沒(méi)有紅外信號(hào)排放，所以不易被對(duì)方發(fā)現(xiàn)。德國(guó)、瑞典均在發(fā)展這類(lèi)潛艇。將來(lái)還可以發(fā)展電動(dòng)火車(chē)頭，可建成完全省去架空導(dǎo)線的電氣化鐵路。就電動(dòng)汽車(chē)而言，燃料電池汽車(chē)在乘客空間，運(yùn)行里程，運(yùn)行安全及造價(jià)方面都足以與傳統(tǒng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。此外,它還具有燃料效能高和噪音、污染小的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要方向之一。

　　3.2固定式電站

　　目前燃料電池適合中、小型燃料電站，根據(jù)科學(xué)家的預(yù)測(cè)，未來(lái)的電網(wǎng)系統(tǒng)很可能是現(xiàn)有的大電網(wǎng)和中小燃料電站共存狀態(tài)。大電網(wǎng)系統(tǒng)有其優(yōu)越性的同時(shí)，也存在無(wú)法避免的缺陷，因?yàn)楦唠妷洪L(zhǎng)距離輸電時(shí)有6%一8%的損失，如熱量損失等。如果利用分散的中小型燃料電站，建立在公寓、大學(xué)校園、醫(yī)院、超級(jí)市場(chǎng)等處，就可以減少大電網(wǎng)送電損失（輸氫損失一般僅為3%）。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，像美國(guó)這樣電力工業(yè)已很發(fā)達(dá)的情況下，對(duì)燃料電池的市場(chǎng)需要依然很大（約為17000MW以上），所以說(shuō)中小型分散電站，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。作為人口大國(guó)，我國(guó)亦將是這樣。現(xiàn)在，美國(guó)lPugoPwer公司已推出一種家用3kw-5kw級(jí)的燃料處理器（實(shí)際上就是將天然氣加工成氫的裝置）PEMFC發(fā)電裝置，估計(jì)所發(fā)電量的成本可比利用電網(wǎng)降低20%。可以想象，其優(yōu)越性是很明顯的，其市場(chǎng)也不可忽視。

　　3.3流動(dòng)性電源

　　據(jù)墨西哥一家公司報(bào)道，他們準(zhǔn)備用酒精溶液作燃料，經(jīng)PEMFC制成移動(dòng)電源。該電源提供的電力可供移動(dòng)電話使用半年，并將在一年半后正式上市。由此可見(jiàn)，對(duì)于信息技術(shù)高度發(fā)展的今天，其市場(chǎng)空間可想而知。這種移動(dòng)電源在農(nóng)村，也有廣闊的空間。如果將低溫電源用在打谷場(chǎng)上，打谷場(chǎng)沒(méi)有火源就不會(huì)發(fā)生火災(zāi)，因?yàn)檫@種燃料電池的工作溫度在100℃以下。傳統(tǒng)的熱發(fā)電主要是熱化學(xué)化和機(jī)械化的過(guò)程，即需經(jīng)熱化學(xué)燃料反應(yīng)，首先得到蒸氣，經(jīng)汽輪機(jī)再經(jīng)發(fā)電機(jī)才能得到電力。而燃料電池才是真正的直接從燃料（氫）得到電力，即“電氣化”。PEMFC具有高功率密度、高效率、低成本等特點(diǎn)。可想而知，今后它將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　4燃料電池的特性

　　4.1堿性燃料電池（AFC）

　　AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作為電解質(zhì)，工作溫度一般為23-70℃。其催化劑主要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過(guò)渡金屬鎳、鈷、錳等，但催化劑對(duì)反應(yīng)物中含有的微量CO2很敏感。

　　AFC的特點(diǎn)：較低的價(jià)格和較高的效率（50-55%）。AFC屬于低溫燃料電池，低溫時(shí)也能保證啟動(dòng)時(shí)間較短，可以用于交通工具。價(jià)格低廉、作用高效、技術(shù)成熟，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。盡管AFC的研究已比較成熟，但AFC的電解質(zhì)采使具有腐蝕性的液體，具有一定的危險(xiǎn)性，而且容易造成環(huán)境污染。此外，如果要解決CO2毒化問(wèn)題，使用循環(huán)電解液來(lái)吸收CO2等，就增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　4.2磷酸燃料電池（PAFC）

PAFC是迄今唯一接近商品化的電池，其反應(yīng)原理如圖2所示[15]。陽(yáng)極反應(yīng)為：H2→2H++2e-，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++ 2e-→H2O。顯然，其全反應(yīng)為電解水的逆過(guò)程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工藝的發(fā)展主要是在70年代后期開(kāi)發(fā)出合適的碳黑和石墨電池零部件才取得重大突破。

　　與堿性氫氧化物燃料電池相比，PAFC的優(yōu)點(diǎn)在于貴金屬催化劑用量相對(duì)明顯減少，還原劑的純度大大降低，CO含量可允許達(dá)5%；PAFC屬于低溫燃料電池，低溫下發(fā)電，具有良好的穩(wěn)定性；人們?nèi)粘Ｉ钣盟梢灾苯永糜酂岖@得的水；與高溫燃料電池相比，啟動(dòng)時(shí)間明顯較短。缺點(diǎn)與AFC一樣，必須用貴金屬電作催化劑；CO含量不能過(guò)高，否則電催化劑將會(huì)被毒化，失去催化活性；電解質(zhì)為高濃度磷酸，具有很強(qiáng)的腐蝕性，影響電池系統(tǒng)使用壽命；因僅有40-50%的發(fā)電效率（低熱值），所以燃料需要重整改質(zhì)，增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　4.3質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

　　PEMFC一般用于小型發(fā)電裝置和用作車(chē)輛等交通運(yùn)輸工具的動(dòng)力。結(jié)構(gòu)與PAFC差不多，都是由二層作為電極的催化層，中間有一層固態(tài)電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）同時(shí)起隔離層作用和外側(cè)作結(jié)構(gòu)支撐與氣體擴(kuò)散層用的碳紙組成

PEMFC采用多孔氣體擴(kuò)散電極，電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，電催化劑采用純鉑或碳載鉑，氫氣（H2）為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。當(dāng)PEMFC工作時(shí)，H2通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極催化劑催化作用，將H2分解為帶正電的氫離子（H+）并釋放出帶負(fù)電的電子（e-）。H+穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極；電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，在這個(gè)過(guò)程中形成電流，通過(guò)連接電路可以向負(fù)載輸出電能。在電池另一端，O2或空氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，經(jīng)過(guò)陰極催化劑催化作用，氧與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。

　　PEMFC的發(fā)展在AFC、MCFC、SOFC之后，但發(fā)展迅速，屬于比能最高、溫度最低、應(yīng)用最廣、啟動(dòng)最快、壽命最長(zhǎng)的第五代燃料電池。它具有優(yōu)點(diǎn)：（1）效能高。PEMFC不存在燃燒過(guò)程，所以不受卡諾循環(huán)限制，目前該燃料電池的效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍，其理論熱效率可達(dá)85%-90%，；（2）燃料多樣性。PEMFC不但可以純氫為燃料，而且也可以用重整氣為燃料；（3）模塊化。在結(jié)構(gòu)上PEMFC具有模塊化的特點(diǎn)，根據(jù)不同動(dòng)力的需求以“搭積木”的堆積形式組合安裝；（4）可靠性高。PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、易于維護(hù)；（5）環(huán)境友好。PEMFC用純氫作為燃料時(shí)水是唯一的產(chǎn)物，零排放，無(wú)污染。此外，PEMFC還具有噪聲低，格結(jié)構(gòu)部件均可回收利用等。

　　4.4熔融碳酸鹽電池（MCFC）

　　MCFC屬高溫燃料電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料電池在近10余年來(lái)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展。MCFC被美國(guó)認(rèn)為是下一世紀(jì)的燃煤電廠的光明未來(lái)。美國(guó)投巨資建造了一座2MW的MCFC工廠。日本也在準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)1MW的MCFC工廠。MCFC的電解質(zhì)采用碳酸鋰和碳酸鉀構(gòu)成的共晶混合物，離子導(dǎo)體是碳酸根。單電池系統(tǒng)由一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極及電解質(zhì)組成。氧和CO2陰極反應(yīng)形成碳酸根，碳酸根通過(guò)熔鹽電解質(zhì)擴(kuò)散到陽(yáng)極，與此同時(shí)碳酸根與氫反應(yīng)將氫氧化，給出電子，進(jìn)入外電路（圖4）。MCFC采用重整產(chǎn)物如氣態(tài)CO和H2的混合物作燃料。電極反應(yīng)是：

　　陽(yáng)極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-；CO+CO32-→2CO2+2e-(少量)；

　　遷移反應(yīng)：CO+H2O→H2+CO2；

　　陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-；

　　總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O。

　　通過(guò)該化學(xué)反應(yīng)方程式可知如果要產(chǎn)生2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽(yáng)極則產(chǎn)生1molCO2。因此為保持電解質(zhì)成分不變，需要使CO2實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

4.5固體氧化物燃料電池（SOFC）

　　SOFC是一種全固態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，它是以固體氧化物為電解質(zhì)在高溫環(huán)境下（約1000℃）工作，以確保其各部分元件有適當(dāng)?shù)碾x子和電子導(dǎo)電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質(zhì)的界面電子將電荷轉(zhuǎn)移給氧分子以所產(chǎn)生。氧離子與陽(yáng)極板表面的H2和CO結(jié)合分別產(chǎn)生H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應(yīng)為：陰極：1/2O2 +2e-→O2-；陽(yáng)極：H2+O2-→H2O +2e-；電池總反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O(CO +1/2O2→CO2)。

持續(xù)向SOFC的陽(yáng)極一側(cè)通入氣體燃料，如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等，陽(yáng)極表面呈多孔結(jié)構(gòu)并且具有催化作用，利用陽(yáng)極表面吸附燃料氣體，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。向陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，陰極板結(jié)構(gòu)與陽(yáng)極相同，利用陰極表面的多孔結(jié)構(gòu)吸附氧，并且通過(guò)催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，氧離子進(jìn)入電解質(zhì)，利用濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，電子利用電壓差通過(guò)外電路回到陰極。

　　SOFC的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）不必使用貴金屬作催化劑，可直接使用氫氣、烴類(lèi)（甲烷）、甲醇等作燃料；（2）較高的電流密度及功率密度；（3）提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。燃料綜合利用率高（可達(dá)90%以上），是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；（4）沒(méi)有使用酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)，避免了中、低溫燃料電池的腐蝕及封接問(wèn)題；（5）采用陶瓷材料作陰極、陽(yáng)極及電解質(zhì)，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是對(duì)陶瓷材料的性能要求高、組裝困難、預(yù)熱和冷卻系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、不易建立。

　　5 我國(guó)燃料電池的發(fā)展

　　料電池是一種很有前途的清潔能源，在未來(lái)很可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源成為主要能源。所以，很多國(guó)家和跨國(guó)集團(tuán)都極其重視燃料電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。美國(guó)將燃料電池技術(shù)列為國(guó)家安全技術(shù)；歐盟在2008年制定了2020年氫能與燃料電池發(fā)展計(jì)劃，投資近10億歐元用于燃料電池與氫能研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證等方面；加拿大計(jì)劃將燃料電池發(fā)展成國(guó)家的之助產(chǎn)業(yè)；日本認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車(chē)列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；我國(guó)中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要明確提出，大力發(fā)展氫燃料的制取、存儲(chǔ)及專(zhuān)用燃料電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究，提高產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

　　近20年來(lái)，我國(guó)科技人員經(jīng)過(guò)不懈努力，盡管燃料電池及材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用得到了極大的進(jìn)展，但由于研究投入和產(chǎn)業(yè)化資金數(shù)量很少，燃料技術(shù)的總體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，燃料電池技術(shù)的阻力主要在于基礎(chǔ)設(shè)施匱乏，技術(shù)人才不足，成本高、耐久性差，研究力量分散，產(chǎn)業(yè)化體系尚未形成，尤其是缺少企業(yè)的參與，很難將研究成果進(jìn)行示范應(yīng)用。所以，我國(guó)應(yīng)尋找最佳切入點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前和中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要，集中研究力量，大力推動(dòng)燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入，為我過(guò)的國(guó)家能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)化的推進(jìn)，能源短缺的矛盾必將日益突出。與此同時(shí)，傳統(tǒng)燃料燃燒時(shí)，釋放出CO2、SO2、CO、NOx等有害物質(zhì)，使環(huán)境惡化，破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，研制非貴金屬催化劑、提高發(fā)電效率，延長(zhǎng)使用壽命、降低制造成本、大力研究和開(kāi)發(fā)SOFC、PEMFC等發(fā)電技術(shù)，兼顧MCFC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的一項(xiàng)重要措施。

　　預(yù)計(jì)在未來(lái)10-15年內(nèi)[1]，我國(guó)科技人員開(kāi)發(fā)的燃料電池必將作為便攜式電源，首先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，用于各類(lèi)便攜式數(shù)