燃料电池及燃料电池发动机研究

作者：同济大学中德学院 宋珂

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 燃料电池主要由阳极、阴极、电解质组成是一种将氢、氧的化学能通过催化反应直接转化成电能的装置。其最大特点是清洁、高效，被视为石油等生化能源的替代品。燃料电池种类较多，其中质子交换膜燃料电池在电动汽车上用运最广泛。燃料电池发动机是电动汽车的关键部件，具有自身的比较优势及缺点。 燃料电池（Fuel Cell）是一种将氢，氧的化学能通过催化反应直接转换成电能的装置。其最大特点在于反应过程不涉及燃烧和热机（日eatengine），不受卡诺循环（Carnotcycle）的限制，因此能量转换效率可高达60％～70％实际使用效率是普通内燃机的2倍左右。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC）是燃料电池的一种因为具备了低温快速启动，无电解液腐蚀溢漏问题等运输动力所必须具备的特点，而被认为是今后燃料电池汽车上最理想的。 一、燃料电池的历史 燃料电池的起源可以追溯到19世纪初，欧洲的两位科学家CFSchbnbein教授与WilliamRGrove爵士，他们分别是燃料电池原理的发现者和燃料电池的发明者。 一般认为燃料电池最早是诞生于1839年Grove的气体电池（Gas voltaic cbattery）实验，然而比较严谨的说法是Schdnbein在1838年首度发现了燃料电池的电化学效应，而第二年Grove发明了燃料电池。Schonbein发现氢气与铂电极上的氯气或氧气所进行的化学反应过程中能够产生电流，Schonbein将这种现象解释为极化效应（Polarisation effect），这便是后来被称做燃料电池的起源。Grove的气体电池基本构想源自于水的电解实验。水电解过程是用电将水分解成为氢气和氧气，反过来，Grove认为将氧气和氢气反应就有可能逆转电解过程而产生电。为了验证这一理论，他将两条铂分别放入两个密封的瓶中，一个瓶中充满氢气，另一个瓶中充满氧气，当这两个密封的瓶浸入稀硫酸溶液时，电流便开始在两个电极之间流动，装有氧气的瓶中产生了水，而为了提高整个装置所产生的电压，Grove将四组这种装置串联起来，他将这种电池称做“气体电池”，这个装置就是后来被公认的全世界第一个燃料电池。而“燃料电池”（Fuel Cell）一词直到1889年才由LMond和C.Langer两位化学家所提出。然而在19世纪，要将燃料电池商业化存在着很多无法克服的障碍如铂的来源，氢气的制备等等。因此Grove的发明并未引起大家的关注。到了19世纪末，更由于内燃机技术的崛起与快速发展，同时配合大规模化石燃料的开发与利用，使得燃料电池应用变得遥遥无期。 燃料电池的现代史可以从20世纪60年代初期太空科技的发展谈起。美国航天局（NASA）为了寻找适合用于载人宇宙飞船的动力源，进行了各种动力源发电特性的比较与分析，例如，化学电池、燃料电池、太阳能电池及核能等。最后选中比功率高，比能量高的燃料电池，作为功率要求1～1.0kW，飞行时间在1～30天的载人宇宙飞船的主电源。 1973年发生石油危机后，世界各国普遍认识到能源的重要性，因此各国纷纷制定各种能源政策以期降低对石油进口的依赖性。其中在提高能源使用效率和能源多元化的考虑下，再度引发了人们对燃料电池的兴趣。20世纪70-80年代的20年之间，燃料电池的研发工作主要集中在开发新材料、寻求最佳的燃料来源和降低成本等方面，例如，杜邦（Dupont）公司于1972年成功地开发出了燃料电池专用的高分子电解质隔膜Nafion。此后燃料电池技术在民用领域应用的重要里程碑就是加拿大巴拉德动力系统（Ballard Power System）公司在1993年所推出的全世界第一辆以质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）为动力的车辆。 进入21世纪后的今天，全世界各地已经有许多医院、学校、商场等公共场所已经安装了燃料电池进行并联供电或示范运行，而主要的汽车制造商也已经开发出各种燃料电池原型车辆。在北美和欧洲的许多城市，以燃料电池为动力的公共汽车正在投入示范运行。在中国的北京和上海也已经出现燃料电池公共汽车示范运行车队。此外以燃料电池作为便携式电子产品电源的研究也在如火如茶地进行。 19世纪科学上的奇特发现即将成为21世纪及以后年代的主流能源使用方式。 二、燃料电池基本原理 燃料电池与一般传统电池一样，是一种将活性物质的化学能转化为电能的装置，因此都属于电化学动力源（Electrochemical PowerSource）。与一般传统电池不同的是燃料电池的电极本身不具有活性物质，而只是个催化转换组件。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。传统电池当其内部的活性物质用完后则需停止使用，待重新补充活性物质后才可以再使用。而燃料电池则是名副其实的能量转换机器，而非能量储存机器。燃料和氧化剂等活性物质都是从燃料电池外部输入，原则上只要不断从外部输入活性物质，燃料电池就可以源源不断的提供电能。从这个意义上说，燃料电池本身是一个开放的发电装置，这正是燃料电池和普通电池的最大区别。 氢氧燃料电池实际上就是电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释，放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化反应过程中的燃料和氧化剂。 三、燃料电池的特点 燃料电池具有如下几个主要特点： 1．效率高燃料电池根据电化学原理直接将化学能转换为电能，理论上的整体热电合并（CombinedHeat；andPowerCHP）效率可达90%以上。由于各种极化（Polarization）的限制，现在使用的燃料电池实际电能转换效率均在40%-60％之间，若热电合并则效率可达80%。与其它形式发电技术相比，除核能外，平均单位质量燃料所能产生的电能，燃料电池是最高的。 2．噪声低：传统发电技术包括火力发电、水力发电、核能发电等，由于使用高速运转的涡轮机来发电，所以在运转过程中会产生很大的噪声。而燃料电池通过催化反应将燃料的化学能直接转换为电能，不需要转动组件，所以噪声低。 3．污染低：燃料电池以氢气为主要燃料用化石燃料（Fossilfuel）来提炼富氢燃料的制取过程中C02的排放量比热机过程减少40％以上。同时，燃料电池所用燃料气体在反应前必须脱硫（Desulphurization），并且燃料电池发电不经过燃烧，所以几乎不排放硫的氧化物与氮的氧化物。当使用纯氢为燃料时它只产生水。 4．进料广：对燃料电池而言只要含有氢原子的物质都可以作为燃料进料来源，如天然气、石油、煤炭等汽化产物或沼气、酒精、甲醇等，因此，燃料电池非常符合能源多元化，可以减缓主流能源的耗竭。 5．用途多：燃料电池的发电容量由单节电池的功率与数目决定，且无论发电规模大小均能保持高发电效率，因此其发电规模具有弹性。目前燃料电池所能提供的功率范围在1W～1000MW之间，因此广泛地运用于发电站、车辆动力、便携式电源。 四、燃料电池的种类 燃料电池种类繁多，一般根据其工作温度、燃料种类和电解质类型来分类。 （一）按工作温度分类 1．低温燃料电池（60～200℃）包括碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）： 2．中温燃料电池（160-220℃）包括磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）： 3．高温燃料电池（600～1000℃）包括熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。 （二）按燃料来源分类 1．直接式燃料电池即燃料直接使用氢气； 2．间接式燃料电池是燃料不直接使用氢气，而是将甲烷、甲醇或其它烃类化合物经过处理转变成氢或富含氢的混合气后再供给燃料电池： 3．再生燃料电池则指将燃料电池生成的水经适当方法分解成氢气和氧气，再重新供给燃料电池进行催化反应。 （三）按电解质类型分类 有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），固态氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池的电池单体主要由质子交换膜、催化剂、电极和集流板组成。 具体反应过程为：经增湿的H2和O2分别进入阳极和阴极经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应，即 阳极：H2→2H+＋2e- 阴极：2H+＋1／202+2e-→H2O 总反应：H2＋1/202→H2O 阳极反应生成的氢质子通过质子交换膜到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的水以水蒸气或冷凝水形式随过剩热量从阴极室排出。以下介绍质子交换膜燃料电池的主要部件。 1．质子交换膜 质子交换膜是PEMFC的核心部件是一种厚度仅为50～180μm的极薄膜片，是电极活性物质（催化剂）的基底。其主要特点是在一定的温度下具有通过选择性即只允许H+离子透过，而不允许H2和其它离子通过。质子交换膜燃料电池对质子交换膜的要求很高，不仅需要有很好的离子导电性能，同时具有一定的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原反应具有稳定性，并且具有足够高的机械强度和结构强度。 由于膜的结构、工艺等方面还存在一些问题，到目前为止质子交换膜的成本还相当高，约占燃料电池系统总成本的20%-30%。要实现燃料电池的商业化运用，质子交换膜成本急待降低。加拿大的巴拉德公司研究的第三代质子交换膜寿命超过4500h，价格降到50美元/m2。 2．催化剂 为加快电化学反应的速度，气体扩散电极上有催化剂，包括阴极催化剂和阳极催化剂两种。阴极催化剂需要有很高的催化活性和稳定性。而阳极催化剂除了具有很高的催化活性和稳定性外还需要具有抗CO中毒的能力。目前主要选择贵金属Pt（铂）作为电催化剂。铂的催化效果很好，但是价格昂贵资源稀缺，这也是燃料电池价格居高不下的原因之一。PEMFC催化剂研究的重点在于提高铂的利用率，降低单位面积铂的使用量，同时找寻铂的廉价替代品。 3．膜电极和集流板 质子交换膜燃料电池的质子交换膜与两侧的气体扩散电极（阴极和阳极）结合，组成燃料电池的膜电极。通常称膜电极为MEA（MembraneElectrodeAssembly），是PEMFC的核心组件。以上讨论的质子交换膜和催化剂就包括在膜电极中同时包括阴、阳极的扩散层。 双极性集流板简称双极板或集流板放置在膜电极的两侧，分别称为阳极集流板和阴极集流板。主要作用在于导电、导流燃料以及导流冷却水。 五、燃料电池发动机（Fuel Cell Engine）的构成 燃料电池要想完成相应的催化反应，输出电能并满足在汽车上的稳定使用还需配置以下辅助系统：燃料供给／循环系统（氢气和氧气供给）、水／热管理系统、控制／安全系统等。PEMFC反应堆同这些辅助系统集成为一套完整的车用燃料电池发动机系统（Fuel Cell Engine）。 1．燃料供给／循环系统 燃料供给／循环系统在供给燃料电池堆反应所需燃料的同时，回收阳极排放物中没有消耗的燃料，达到循环利用的效果。目前比较成熟的技术是使用纯氢作为燃料，并且这种供给系统结构简单。上海神力科技有限公司开发的第三代燃料电池发动机使用环境压力为常压，进一步简化了结构。 2．水／热管理系统 燃料电池工作时，燃料电池堆中的化学反应产生大量热量，如果不能及时散发，将会导致燃料电池堆温度过高致使燃料电池堆性能下降。催化反应的产物水通过燃料电池堆的反应区，对燃料电池堆进行冷却，同时产物水本身被加热至燃料电池的温度，然后与反应气体接触，起到增湿的作用。一方面电池堆工作需要一定的热量，另一方面过多的热量需要能及时的释放，要维持电池堆正常工作，必须使这两方面达到一定的平衡。 3．控制／安全系统 控制系统根据负载对燃料电池功率的要求，以及燃料电池堆反应情况的变化对反应气体的流量、压力、水／热循环中水的流速、流量进行控制，保证燃料电池的正常工作。控制系统有多种不同的传感器、控制阀、管路和控制单元组成。随着电子技术的不断发展，控制系统在燃料电池发动机中会扮演越来越重要的角色。 六、燃料电池发动机的不足 1．燃料种类单一 氢气作为氢燃料电池发动机的唯一燃料，其制备、储存、运输和添加都要求较高的技术，对安全性的要求很高。 2．密封要求高 单体燃料电池之间的连接，要求很好的密封，否则氢气会渗漏到燃料电池堆外，一方面降低燃料电池发动机效率，同时带来安全隐患。 3．成本过高 目前质子交换膜燃料电池（PEMFC）是前景最好的燃料电池，不过PEMFC需要使用贵金属铂作反应催化剂。并且铂易受CO的影响使其利用率不高。这些原因导致质子交换膜燃料电池价格居高不下。目前燃料电池发动机的成本为500美元／kW，是传统内燃机的7倍。 4．低温起动 凝固性是燃料电池的一个弱点。当汽车停驶之后，燃料电池中会生成水。如果没有能量去除水分，低温下形成的冰晶会损伤聚合物薄膜。此外燃料系统在。℃以下无法发电汽车在冬，季使用条件下，最大的问题是如何使燃料电池堆在-20-40℃的温度下浸泡了一夜之后迅速恢复活性。 5．需要配备辅助蓄电池系统 燃料电池发动机可以持续发电，但是却不能充电和回收燃料电池车的制动回收能量。需要配备辅助蓄电池系统来存储燃料电池富裕的电能，并回收燃料电池车减速时的制动回收能量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/1/2007)