燃料電池及燃料電池發動機研究
資料來源 : http://cn.newmaker.com/art_21712.html
作者：同濟大學中德學院 宋珂 2007-4-1
燃料電池主要由陽極、陰極、電解質組成是一種將氫、氧的化學能通過催化反應直接轉化成電能的裝置。其最大特點是清潔、高效，被視為石油等生化能源的替代品。燃料電池種類較多，其中質子交換膜燃料電池在電動汽車上用運最廣泛。燃料電池發動機是電動汽車的關鍵部件，具有自身的比較優勢及缺點。
燃料電池（Fuel Cell）是一種將氫，氧的化學能通過催化反應直接轉換成電能的裝置。其最大特點在於反應過程不涉及燃燒和熱機（日eatengine），不受卡諾迴圈（Carnotcycle）的限制，因此能量轉換效率可高達60％～70％實際使用效率是普通內燃機的2倍左右。質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC）是燃料電池的一種因為具備了低溫快速啟動，無電解液腐蝕溢漏問題等運輸動力所必須具備的特點，而被認為是今後燃料電池汽車上最理想的。
一、燃料電池的歷史
燃料電池的起源可以追溯到19世紀初，歐洲的兩位科學家CFSchbnbein教授與WilliamRGrove爵士，他們分別是燃料電池原理的發現者和燃料電池的發明者。
一般認為燃料電池最早是誕生於1839年Grove的氣體電池（Gas voltaic cbattery）實驗，然而比較嚴謹的說法是Schdnbein在1838年首度發現了燃料電池的電化學效應，而第二年Grove發明了燃料電池。Schonbein發現氫氣與鉑電極上的氯氣或氧氣所進行的化學反應過程中能夠產生電流，Schonbein將這種現象解釋為極化效應（Polarisation effect），這便是後來被稱做燃料電池的起源。Grove的氣體電池基本構想源自于水的電解實驗。水電解過程是用電將水分解成為氫氣和氧氣，反過來，Grove認為將氧氣和氫氣反應就有可能逆轉電解過程而產生電。為了驗證這一理論，他將兩條鉑分別放入兩個密封的瓶中，一個瓶中充滿氫氣，另一個瓶中充滿氧氣，當這兩個密封的瓶浸入稀硫酸溶液時，電流便開始在兩個電極之間流動，裝有氧氣的瓶中產生了水，而為了提高整個裝置所產生的電壓，Grove將四組這種裝置串聯起來，他將這種電池稱做“氣體電池”，這個裝置就是後來被公認的全世界第一個燃料電池。而“燃料電池”（Fuel Cell）一詞直到1889年才由LMond和C.Langer兩位化學家所提出。然而在19世紀，要將燃料電池商業化存在著很多無法克服的障礙如鉑的來源，氫氣的製備等等。因此Grove的發明並未引起大家的關注。到了19世紀末，更由於內燃機技術的崛起與快速發展，同時配合大規模化石燃料的開發與利用，使得燃料電池應用變得遙遙無期。
燃料電池的現代史可以從20世紀60年代初期太空科技的發展談起。美國航天局（NASA）為了尋找適合用於載人太空船的動力源，進行了各種動力源發電特性的比較與分析，例如，化學電池、燃料電池、太陽能電池及核能等。最後選中比功率高，比能量高的燃料電池，作為功率要求1～1.0kW，飛行時間在1～30天的載人太空船的主電源。
1973年發生石油危機後，世界各國普遍認識到能源的重要性，因此各國紛紛制定各種能源政策以期降低對石油進口的依賴性。其中在提高能源使用效率和能源多元化的考慮下，再度引發了人們對燃料電池的興趣。20世紀70-80年代的20年之間，燃料電池的研發工作主要集中在開發新材料、尋求最佳的燃料來源和降低成本等方面，例如，杜邦（Dupont）公司于1972年成功地開發出了燃料電池專用的高分子電解質隔膜Nafion。此後燃料電池技術在民用領域應用的重要里程碑就是加拿大巴拉德動力系統（Ballard Power System）公司在1993年所推出的全世界第一輛以質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）為動力的車輛。
進入21世紀後的今天，全世界各地已經有許多醫院、學校、商場等公共場所已經安裝了燃料電池進行並聯供電或示範運行，而主要的汽車製造商也已經開發出各種燃料電池原型車輛。在北美和歐洲的許多城市，以燃料電池為動力的公共汽車正在投入示範運行。在中國的北京和上海也已經出現燃料電池公共汽車示範運行車隊。此外以燃料電池作為可擕式電子產品電源的研究也在如火如茶地進行。
19世紀科學上的奇特發現即將成為21世紀及以後年代的主流能源使用方式。
二、燃料電池基本原理
燃料電池與一般傳統電池一樣，是一種將活性物質的化學能轉化為電能的裝置，因此都屬於電化學動力源（Electrochemical PowerSource）。與一般傳統電池不同的是燃料電池的電極本身不具有活性物質，而只是個催化轉換元件。燃料電池的反應機理是將燃料中的化學能不經燃燒而直接轉化為電能。傳統電池當其內部的活性物質用完後則需停止使用，待重新補充活性物質後才可以再使用。而燃料電池則是名副其實的能量轉換機器，而非能量儲存機器。燃料和氧化劑等活性物質都是從燃料電池外部輸入，原則上只要不斷從外部輸入活性物質，燃料電池就可以源源不斷的提供電能。從這個意義上說，燃料電池本身是一個開放的發電裝置，這正是燃料電池和普通電池的最大區別。
氫氧燃料電池實際上就是電解水的逆過程，通過氫氧的化學反應生成水並釋，放電能。氫氣和氧氣分別是燃料電池在電化反應過程中的燃料和氧化劑。
三、燃料電池的特點
燃料電池具有如下幾個主要特點：
1．效率高 : 燃料電池根據電化學原理直接將化學能轉換為電能，理論上的整體熱電合併（CombinedHeat；andPowerCHP）效率可達90%以上。由於各種極化（Polarization）的限制，現在使用的燃料電池實際電能轉換效率均在40%-60％之間，若熱電合併則效率可達80%。與其它形式發電技術相比，除核能外，平均單位品質燃料所能產生的電能，燃料電池是最高的。
2．雜訊低：傳統發電技術包括火力發電、水力發電、核能發電等，由於使用高速運轉的渦輪機來發電，所以在運轉過程中會產生很大的雜訊。而燃料電池通過催化反應將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要轉動元件，所以雜訊低。
3．污染低：燃料電池以氫氣為主要燃料用化石燃料（Fossilfuel）來提煉富氫燃料的制取過程中C02的排放量比熱機過程減少40％以上。同時，燃料電池所用燃料氣體在反應前必須脫硫（Desulphurization），並且燃料電池發電不經過燃燒，所以幾乎不排放硫的氧化物與氮的氧化物。當使用純氫為燃料時它只產生水。
4．進料廣：對燃料電池而言只要含有氫原子的物質都可以作為燃料進料來源，如天然氣、石油、煤炭等汽化產物或沼氣、酒精、甲醇等，因此，燃料電池非常符合能源多元化，可以減緩主流能源的耗竭。
5．用途多：燃料電池的發電容量由單節電池的功率與數目決定，且無論發電規模大小均能保持高發電效率，因此其發電規模具有彈性。目前燃料電池所能提供的功率範圍在1W～1000MW之間，因此廣泛地運用於發電站、車輛動力、可擕式電源。
四、燃料電池的種類
燃料電池種類繁多，一般根據其工作溫度、燃料種類和電解質類型來分類。
（一）按工作溫度分類
1． 低溫燃料電池（60～200℃）包括鹼性燃料電池（AlkalineFuelCell，AFC）、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）：
2．中溫燃料電池（160-220℃）包括磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）：
3．高溫燃料電池（600～1000℃）包括熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
（二）按燃料來源分類
1．直接式燃料電池即燃料直接使用氫氣；
2．間接式燃料電池是燃料不直接使用氫氣，而是將甲烷、甲醇或其它烴類化合物經過處理轉變成氫或富含氫的混合氣後再供給燃料電池：
3．再生燃料電池則指將燃料電池生成的水經適當方法分解成氫氣和氧氣，再重新供給燃料電池進行催化反應。
（三）按電解質類型分類
有鹼性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），固態氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。
質子交換膜燃料電池（PEMFC）
質子交換膜燃料電池的電池單體主要由質子交換膜、催化劑、電極和集流板組成。
具體反應過程為：經增濕的H2和O2分別進入陽極和陰極經電極擴散層擴散到達催化層和質子交換膜的介面，分別在催化劑作用下發生氧化和還原反應，即
◎ 陽 極：H2→2H+＋2e-
◎ 陰 極：2H+＋1／202+2e-→H2O
→ 總反應：H2＋1/202→H2O
陽極反應生成的氫質子通過質子交換膜到達陰極，陽極反應產生的電子通過外電路到達陰極。生成的水以水蒸氣或冷凝水形式隨過剩熱量從陰極室排出。以下介紹質子交換膜燃料電池的主要部件。
1．質子交換膜
質子交換膜是PEMFC的核心部件是一種厚度僅為50～180μm的極薄膜片，是電極活性物質（催化劑）的基底。其主要特點是在一定的溫度下具有通過選擇性即只允許H+離子透過，而不允許H2和其它離子通過。質子交換膜燃料電池對質子交換膜的要求很高，不僅需要有很好的離子導電性能，同時具有一定的含水率，對電池工作過程中的氧化、還原反應具有穩定性，並且具有足夠高的機械強度和結構強度。
由於膜的結構、工藝等方面還存在一些問題，到目前為止質子交換膜的成本還相當高，約占燃料電池系統總成本的20%-30%。要實現燃料電池的商業化運用，質子交換膜成本急待降低。加拿大的巴拉德公司研究的第三代質子交換膜壽命超過4500h，價格降到50美元/m2。
2．催化劑
為加快電化學反應的速度，氣體擴散電極上有催化劑，包括陰極催化劑和陽極催化劑兩種。陰極催化劑需要有很高的催化活性和穩定性。而陽極催化劑除了具有很高的催化活性和穩定性外還需要具有抗CO中毒的能力。目前主要選擇貴金屬Pt（鉑）作為電催化劑。鉑的催化效果很好，但是價格昂貴資源稀缺，這也是燃料電池價格居高不下的原因之一。PEMFC催化劑研究的重點在於提高鉑的利用率，降低單位面積鉑的使用量，同時找尋鉑的廉價替代品。
3．膜電極和集流板
質子交換膜燃料電池的質子交換膜與兩側的氣體擴散電極（陰極和陽極）結合，組成燃料電池的膜電極。通常稱膜電極為MEA（MembraneElectrodeAssembly），是PEMFC的核心組件。以上討論的質子交換膜和催化劑就包括在膜電極中同時包括陰、陽極的擴散層。
雙極性集流板簡稱雙極板或集流板放置在膜電極的兩側，分別稱為陽極集流板和陰極集流板。主要作用在於導電、導流燃料以及導流冷卻水。
五、燃料電池發動機（Fuel Cell Engine）的構成
燃料電池要想完成相應的催化反應，輸出電能並滿足在汽車上的穩定使用還需配置以下輔助系統：燃料供給／循環系統（氫氣和氧氣供給）、水／熱管理系統、控制／安全系統等。PEMFC反應堆同這些輔助系統集成為一套完整的車用燃料電池發動機系統（Fuel Cell Engine）。
1．燃料供給／循環系統 : 燃料供給／循環系統在供給燃料電池堆反應所需燃料的同時，回收陽極排放物中沒有消耗的燃料，達到迴圈利用的效果。目前比較成熟的技術是使用純氫作為燃料，並且這種供給系統結構簡單。上海神力科技有限公司開發的第三代燃料電池發動機使用環境壓力為常壓，進一步簡化了結構。
2．水／熱管理系統 : 燃料電池工作時，燃料電池堆中的化學反應產生大量熱量，如果不能及時散發，將會導致燃料電池堆溫度過高致使燃料電池堆性能下降。催化反應的產物水通過燃料電池堆的反應區，對燃料電池堆進行冷卻，同時產物水本身被加熱至燃料電池的溫度，然後與反應氣體接觸，起到增濕的作用。一方面電池堆工作需要一定的熱量，另一方面過多的熱量需要能及時的釋放，要維持電池堆正常工作，必須使這兩方面達到一定的平衡。
3．控制／安全系統 : 控制系統根據負載對燃料電池功率的要求，以及燃料電池堆反應情況的變化對反應氣體的流量、壓力、水／熱迴圈中水的流速、流量進行控制，保證燃料電池的正常工作。控制系統有多種不同的感測器、控制閥、管路和控制單元組成。隨著電子技術的不斷發展，控制系統在燃料電池發動機中會扮演越來越重要的角色。
六、燃料電池發動機的不足
1．燃料種類單一 : 氫氣作為氫燃料電池發動機的唯一燃料，其製備、儲存、運輸和添加都要求較高的技術，對安全性的要求很高。
2．密封要求高 : 單體燃料電池之間的連接，要求很好的密封，否則氫氣會滲漏到燃料電池堆外，一方面降低燃料電池發動機效率，同時帶來安全隱患。
3．成本過高 : 目前質子交換膜燃料電池（PEMFC）是前景最好的燃料電池，不過PEMFC需要使用貴金屬鉑作反應催化劑。並且鉑易受CO的影響使其利用率不高。這些原因導致質子交換膜燃料電池價格居高不下。目前燃料電池發動機的成本為500美元／kW，是傳統內燃機的7倍。
4．低溫起動 : 凝固性是燃料電池的一個弱點。當汽車停駛之後，燃料電池中會生成水。如果沒有能量去除水分，低溫下形成的冰晶會損傷聚合物薄膜。此外燃料系統在。℃以下無法發電汽車在冬，季使用條件下，最大的問題是如何使燃料電池堆在-20-40℃的溫度下浸泡了一夜之後迅速恢復活性。
5．需要配備輔助蓄電池系統 : 燃料電池發動機可以持續發電，但是卻不能充電和回收燃料電池車的制動回收能量。需要配備輔助蓄電池系統來存儲燃料電池富裕的電能，並回收燃料電池車減速時的制動回收能量。
延伸閱讀
Ø 燃料電池的基本工作原理及發展前景2005-6-14 ~ 一台新型的P4筆記型電腦平均功耗在100W左右；高性能的CPU要求400A/μs的轉換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達到1000A/μs和150A；
Ø 工業用燃料電池2007-6-13 ~ Sierra Nevada Brewing 公司的電力供應來自其安裝的一台1MW 的MCFC電池，而其燃料大多來自其廢水處理設施。 ~ 磷酸燃料電池（PAFC）總的壽命成本是0.18-0.20美元/千瓦時，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）總的壽命成本則是0.15-0.17美元/千瓦時。相比而言，微型燃氣輪機的成本是0.14美元/千瓦時，內燃發電機的成本是0.10-0.12美元/千瓦時。
Ø 石墨材料在燃料電池中的應用2006-12-2
Ø 燃料電池種類與應用2007-3-12
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