浅谈新型清洁能源燃料电池

浅谈新型清洁能源燃料电池

作者：张勇曹坤

来源：《电子世界》2013年第08期

【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