燃料电池的研究现状与发展方向

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1、燃料电池的研究现状与发展方向杨智玉 高苗苗 何正武 廖宇航湖南 长沙理工大学 摘要：介绍了燃料电池的分类、工作原理、性能、制备（特别是氢气的制备）以及四大分别消耗氢、甲烷、甲醇、汽油的燃料电池，另外还介绍了其他形式具有特殊性能或功能的燃料电池；阐述了燃料电池的研究进展与发展方向，着重论述了我国当前的燃料电池研究现状。 关键词：氢气；温度；燃料电池；研究现状；发展方向；质子交换膜；氢燃料电池；甲烷燃料电池；甲醇燃料电池；汽油燃料电池；酶燃料电池；微生物燃料电池 随着社会的进步以及人类文明的发展，当今世界的能源消耗急剧增加，使得充当当今社会动力的化石能源频频告急，不断涨价，而人类对资源的需求却有增

2、无减。本来核能的利用可以暂缓化石能源的压力，使化石能源不致太早耗竭，但频繁的核事故不免让人心生恐惧。然而燃料电池不仅可以提供相对丰富的能源，而且产生的产物是水，不会对环境造成污染，这正好弥补了上述不足。所以燃料电池无疑将成为时代的主流，故我们特对此进行研究。1、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。1.1 按工作温度分类（1）低温燃料电池（60-200）包括碱性燃料电池（Aikaline Fuel Cell.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

3、）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)。1.2 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。1.3 按电解质类型分类包括有

4、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。262.燃料电池的工作原理2.1 基本反应 2H2 + O2= 2H2O （点燃） 上述反应是一个最基本的反应，也是一个比较简单的氧化反应，其产物是水，对环境零污染，且单位质量放热巨大，用其来制造燃料电池符合经济和社会效益，故燃料电池在当今备受追捧。而且燃料电池是以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的高效、环境友好发电装置，但它和其他化学电池不同的是, 它工作时需要连续地向其供给反应物- 燃料和氧化剂, 所以被称为燃料电池. 只要能保证连续

5、不断地供给反应物, 燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电, 所以也可称它为另一形式的发电机。2.2 应用实践 通过合适的电极材料以及电解质溶液，在正极通入O2，负极通入H2，在电池中H2和O2发生氧化还原反应，产生电子定向移动继而产生电流。该电池技术理论上能量转化率为100%，实际上亦可达80%，可见其应用价值甚是广大。另外有些电池间接利用这一反应，通过有机可燃物甲醇或甲烷转换成氢气，然后再发生上述反应。其具体原理示意图如下：3、燃料电池的性能 3.1 效率高 燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程, 因而不受卡诺循环限制, 没有中间环节的能量损失, 能量转换效率高。3.2 模

6、块结构、积木性强, 比功率高 既可以集中供电, 也适合分散供电, 机动灵活。 燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的，一个单一电池就是一个基本单元, 即两个电极夹一个电解质板. 将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组。3.3 燃料多样 虽然燃料电池的工作物质主要是氢, 但它可用的燃料有煤气、甲醇、液化石油气等各种碳氢化合物。根据实际情况, 因地制宜地使用不同的燃料, 或将不同的燃料进行组合使用, 可以达到就地取材、节省资源的目的。3. 4 洁净、无污染、噪声低 燃料电池的生成物主要是水, 基本上不排放有害气体, 所以它是一种非常清洁的能源转化机制。63.5 用途多 燃料电池的发电容量由单节电

7、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 IW 一1000 M W 之间,因此广泛地运用于发电站、车辆动力以及便携式电源。4 燃料电池的制备 燃料电池制备，首当其冲的便是氢气的制备，作为该能量转化系统的能量来源，其着实扮演了一个举足轻重的角色。 4.1 氢气的制备 根据制备氢气的原料不同，氢气的制备方法可分为非再生制氢和可再生制氢，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物质。目前应用较多的制氢方法有以下几种类型。174.1.1 化石燃料制氢利用石油、天然气和煤等化石燃料制氢，如天然气的蒸汽重整、碳氢化合物部分氧化和

8、煤气化等。4.1.1.1 水蒸气重整制氢 利用天然气和裂解石油气等烃类混合物制氢是现在大规模制氢的主要方法。烃类混合物与水蒸气反应制氢是一个多种平行反应和串联反应同时发生的复杂过程，主要包括转化和变换两类反应。转化反应的化学反应式为:CnHm + nH2O （催化）nCO + ( n + m/2) H2( 1)由于甲烷的氢碳比( m n = 4 1) 最高，因此用甲烷作生产氢气的原料最为理想。9变换反应是将转化反应产物中的一氧化碳进一步与水反应生成氢气和二氧化碳，化学反应式为: CO + H2O （催化）H2 + CO2( 2) 转化反应为强吸热反应，变换反应为放热反应。由于转换反应吸收的热量

9、超过变换反应放出的热量，所以整个过程是吸热的。为了提高烃类的转化率，转化反应在高温下进行，但高温不利于变换反应的进行，因此转化气的产物中含有较多的一氧化碳。4.1.1.2 不完全氧化制氢不完全氧化法通常用于氢碳比低的原料制氢。任何可以压送的烃类燃料( 其中包括重油或煤) 都可以用此方法制取氢气。不完全氧化法涉及碳氢化合物与氧气和水蒸气反应转化为氢气和二氧化碳的过程，包括以下3 个主要步骤:CnHm + n /2O2 nCO + m/2H2( 3)CnHm + nH2O nCO + ( n + m/2) H2( 4)CO + H2O H2 + CO2( 5)在蒸气参与和加氧不足条件下，式( 3)

10、 是烃类燃料的不完全氧化反应，式( 4) 是烃类燃料与水蒸气的转化反应，式( 5) 是变换反应。不完全氧化反应是放热反应，而转化反应是吸热反应，转化反应需要的热量由不完全氧化反应供给。不完全氧化反应可以在催化剂的参与下在较低的温度下进行，也可不用催化剂在适当的压力和较高的温度下进行，具体的压力和温度要看所采用的烃类原料和选取的过程而定。由于不完全氧化反应是放热反应，因此不完全氧化制氢不需要大量的外热源，与水蒸气重整制氢相比，降低了制氢的能耗。但是，不完全氧化制氢可能需要配置液化空气厂以提供所需的氧气。4.1.1.3 自热重整制氢由于水蒸气重整反应为吸热反应，反应器需外部供热，因此制氢启动时间长

11、，燃料电池供电响应较慢，难以满足汽车、潜艇等对快速启动与功率变化频繁的需求。目前制氢的研究热点是利用醇类或碳氢化合物自热重整为各种移动动力源提供氢气，即向醇类或碳氢化合物与水蒸气的混合气体中加入一定量的氧气，让吸热的蒸气重整反应和放热的不完全氧化反应同时发生，因此制氢过程不需要额外供热。自热重整制氢的优点是需要的蒸气很少，而且重整反应所需的热量可以由燃料部分氧化提供，使得系统设计简化。4.1.1.4 等离子体热裂解制氢等离子体是含有足够的自由带电粒子以致其动力学行为受电磁力支配的一种物质状态，它不同于常规的气态、液态和固态，是物质存在的第四态。等离子体多用于提供极高温度，实现常规方法难以转化的

12、稳态分子的转化。热等离子可以起到高温热源和化学活性粒子源的双重作用，可在无催化剂的条件下加速反应进程，并提供吸热过程中所需的能量。用等离子技术可使甲烷分解成氢气和炭黑，反应式为: CH4 C + 2H2( 6)在常温条件下，此反应的自由能G = 50.75kJ /mol，是难以发生的反应; 但在727( 1000 K)的高温下，此反应的G = 19. 17 kJ /mol，成为可自发进行的反应。甲烷的平衡分解大约在500开始在1000左右完成，1000 2500的平衡产物是炭黑和氢气。等离子体法制氢具有以下优势: ( 1) 制氢成本低。如果考虑炭黑的价值，等离子体法的成本比水电解制氢、生物制氢

13、和天然气水蒸气重整制氢等方法低。( 2) 原料利用率高。除原料中含有的杂质以外，几乎所有的原料都转化为氢气和炭黑，且没有二氧化碳生成。( 3) 原料的适应性强。除天然气外，几乎所有的烃类都可作为制氢原料，原料的。( 4) 生产规模可大可小。4.1.1.5 煤气化制氢在利用化石燃料制氢的各方法中，目前最具有发展意义的是煤气化制氢。煤气化的中间产物是人造煤气，它可以再转化为氢气和其他煤气。煤气化制氢的工艺过程一般包括煤的气化、煤气净化、CO 变换以及H2提纯等主要生产环节。煤的主要成分为固体碳，它可先于水蒸气反应中转化为CO和H2，产生的CO 再和水蒸气发生水煤气反应产生CO2和H2。其简化的制氢

14、过程可表示为:C + H2O H2 + CO ( 7)CO + H2O H2 + CO2( 8)气化所需的热量可以通过煤与氧气的燃烧反应热来供给，也可以利用固体、液体或气体等载热体通过直接或间接对煤床加热的方式来供给。4.1.2 水电解制氢水电解制氢是一种很成熟的传统制氢方法，具有制氢纯度高和操作简便的特点，目前国际上利用水电解制氢的产量约占氢气总产量的4%。水电解制氢最大的缺点是电耗大、不经济。理想的做法是通过风力发电、太阳能发电后将水电解制取氢气，但是风能、太阳能发电目前还存在着成本高、发出的电能不稳定、未使用的电能需采用大量蓄电池存储且蓄电池存储电能有自放电损耗等问题，这还有待提高。4.

15、1.3 生物制氢生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动植物残骸等物质。生物制氢是指利用生物质产生氢气的方法，如生物质气化法，即通过高温分解和气化方式将处理过的生物质转化为燃气或合成气; 还有微生物制氢法，包括厌氧光合制氢和厌氧发酵制氢两大类。4.1.4 硼氢化钠( NaBH4) 水解制氢在众多的氢化物当中，硼氢化钠具有较高的理论储氢密度( 10 7%) 、可长期稳定储存、水解过程温和等优点，并且制氢规模可以根据用户需要而调整、全过程环境友好，其水解制氢可作为质子交换膜燃料电池( PEMFC) 供电系统的在线氢源，因此，硼氢化钠制氢成为近年来被广泛关注的制氢技术。NaBH4在水溶液中会发生

16、自发水解，而碱性条件可以显著降低其水解速度，只要与特定的催化剂接触，其碱性溶液可以按照如下反应快速、可控地释放出氢气:NaBH4 + 2H2O（催化剂）NaBO2 + H2NaBH4水解制氢技术是一种安全、高效、实用性强的制氢技术。4.1.2 氢气的纯化大多数制氢过程都包含氢气的纯化过程，以除去粗制氢气中的各种杂质。根据氢气来源不同，可采用不同的精制方法来制备高纯氢。常用的氢气纯化方法、纯化效果和用途如表1所列。表一 常用的氢气纯化方法此外，近年来发展起来的膜分离技术也可用于氢气的提纯。膜分离技术是利用混合物中各组分在膜中的相对渗透速率不同，以膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解-扩散-脱附等

17、步骤而实现分离的技术。4.1.3 氢气的存储氢能够以气态、液态、固态三种状态储存。根据储存机理的不同又可分为高压气态存储、低温液氢存储、金属氢化物存储、新型碳材料存储和复合氢化物存储等方法。高压气态存储是最普通和最直接的储氢方式，通过调节减压阀就可以直接释放出氢气，其应用广泛、简便易行，而且压缩储氢成本低，充放气速度快，常温下就可进行。液态存储液化储氢是一种深冷的氢储存技术。氢气经过压缩之后，深冷到 252或以下而变为液氢，其比容要缩小800多倍，密度大大提高，是气态氢密度的845倍。这样，对同等体积的储氢容器，其储氢量大幅度提高。液化储氢特别适用于储存空间有限的场合，如航天飞机火箭发动机、汽

18、车发动机和洲际飞行运输工具等。若仅从质量和体积上考虑，液化储氢是一种极为理想的储氢方式。但是氢的液化面临三个主要难题: 一是氢气的深冷液化能耗高；二是液氢的储存和保养问题；三是液氢在绝热不完善时导致蒸发损失，因而其储存成本较高。金属氢化物储氢的机理: 在一定的压力和温度下，氢分子被吸附在金属表面后，离解成氢原子嵌入到金属的晶格中形成含氢固溶体( -MHx) ，随后固溶体继续与氢反应，生成金属氢化物( -MHy) ，生成氢化物是一个放热的可逆过程，加热后氢化物释放出氢气。新型碳材料储氢新型碳材料储氢近年来，碳质材料如活性炭、纳米碳纤维、富勒烯等被用作储氢材料，其可逆氢吸附过程是基于物理吸附的，目

19、前普遍看好超比表面积活性炭的低温( 液氮温度) 、适度压力( 6 MPa) 和新型碳纳米吸附材料的常温、较高压力( 15 MPa) 两种储氢方式 。17另外还有一种有机液态氢化物可逆储放氢技术，其采用环己烷催化脱氢方式的转化率可达100%。14.2 电池系统制备燃料电池由电解质膜、电极、燃料、电催化剂、电解质溶液、系统结构组成而产生电压的。304.2.1 电解质膜电解质膜只允许质子(H+ )通过, 而不应该允许未分解的燃料渗透过去，具有一定的选择性。通过提高电解质膜的质子传导率, 尽量减小气体等其他燃料渗入量, 增强氧化、还原和水解的稳定性, 提高机械强度和热稳定性, 改善表面性质以适于与催化

20、剂结合等途径可提高电池性能。4.2.2 电极因燃料电池电极大多为气体电极过程, 必须用特殊的电极结构- 多孔的气体扩散电极, 以提高电池的比功率. 这种电极要求其中有薄液膜, 要能保证大量气体容易到达而又与整体溶液较好连通, 有足够的气孔使反应气体容易传递到电极内部各处, 又有大量覆盖在催化剂表面上的薄液膜. 这些薄液膜还必须通过液孔与电极外侧的溶液通畅地连通, 以利于液相反应粒子( 包括产物) 迁移。其实，对多孔气体扩散电极的研究, 即是如何使电极在反应中形成稳定的三相界面, 实现稳定高效放电. 针对目前多孔电极的研究,用力学方法对三相界面的形态进行研究. 通过对电极表面饱和度分布的研究可以

21、确定三相界面的具体位置, 以及沿电极不同位置反应界面的变化情况, 从而可以在实验设计阶段向有利于形成三相界面的方向靠拢. 制作出放电效率高的气体扩散电极。4.2.3 燃料对燃料的研究主要是燃料选择的问题。 目前, 在燃料电池应用中, 主要使用H2和CH3OH，上面已论述过。 4.2.4 电催化剂电催化剂一个燃料电池系统,要获得高效率和高比能量, 就必须提高气态燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性, 即应用和发展高效催化剂.。7目前,大多采用贵金属催化剂，由于纳米科技的迅速发展，碳纳米金属催化剂也应运而生。其较高的接触面积使得其利用率更高。13燃料电池因电解质溶液不同可分为碱性燃料电池(AFC)、

22、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)，这四类电池各有所长各有所短，在实际生活中应用广泛。而迅速崛起的第五代电池质子交换膜燃料电池( PEMFC)，因温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广而为为航天和军用电源所开发。不仅如此，高温质子交换膜也有了阶段性的突破。15证实了磷酸酸掺杂聚苯并咪唑膜似乎是迄今为止在燃料电池最好的环境压力下最成功的系统的高温质子交换膜。（The phosphoric acid-doped polybenzimidazole membraneseems so far the most successful

23、system for high temperature PEMFC preferably under ambient pressure.）15系统结构是燃料电池的最终结果，实现对电池的最优装配。 而今小型燃料电池或微燃料电池将与集成电路一起使用,这就要求燃料电池进行高密度装配, 实现在便携式电子设备中应用燃料电池。下面为一推进系统结构195、燃料电池的研究现状目前化学品生产商塞拉尼斯公司、杜邦公司、巴斯夫公司、Methanex公司燃料电池开发商Ballard动力系统公司、国际燃料电池公司以及汽车生产商戴姆勒克莱斯勒公司、福特汽车公司、现代汽车公司、大众汽车公司等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池

24、汽车。按燃料电池所用原始燃料的类型大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。145.1 氢燃料电池 通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动力的零排放概念车“ 氢动一号”，该车加速快、操作灵活, 从0 100km 加速仅16s, 最高时速可达140km, 续驰里程400km。空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商, 其供氢站已经可为氢燃料电池汽车供应24 34MPa 的液氢。2003 年4 月林德公司为德国Adam Opei 公司建造了世界上第一座70MPa 氢气充气站, 这标志着以氢气为动力的汽车社会进入一个重要的里程碑。70MPa 技术有较高的贮氢密度, 可

25、覆盖燃料电池汽车60% 70% 的范围，这使得燃料电池汽车行驶里程可超过400 km, 同时这也是推广使用以压缩氢为动力的汽车最重要的前提之一。陶氏化学公司与通用汽车公司合作, 将在美国得州自由港建设大型燃料电池发电系统。建成后,该500GM 燃料电池设施将发电35MW, 占该地区电力需求的约2% , 成为迄今最大的商业化燃料电池应用设施。鉴于燃料电池携带纯氢成本高、安全性差、汽车一次补充燃料行车里程短, 且纯氢贮存、运输比较困难, 许多公司正在发展与燃料电池配套的贮氢技术。这使得储氢技术和行程都有大大的提高。而且壳牌氢气公司与美国能源转换设备公司成立贮氢系统合资企业, 开发固体氢化物贮氢技术

26、并实现商业化, 计划2003年实现车载贮氢罐提供氢燃料的50辆燃料电池汽车推向市场。5.2 甲烷燃料电池22,24 使用甲烷( 天然气) 作为燃料电池的燃料可避免贮氢和补充氢燃料的后勤问题。美国西北大学和宾夕法尼亚大学采用改进固体氧化物燃料电池性能的方法, 在镍系阳极中加入氧化钇并掺杂二氧化铈形成多孔电极, 仅650 就能达到很高的功率密度, 这样的温度也不会引起碳沉积问题，成功解决高于800发生沉积，低于800发生功率密度降低问题。日本东京技术研究院开发了可使甲烷完全分解而无CO2 副产品的工艺技术, 该工艺在500以下及低于0.1MPa压力下进行，打破了热力学平衡限制。甲烷在氧化硅载体的镍

27、催化剂上分解为氢气和碳, 碳形成细粉末可回收。产品气体含氢约40%, 通过金属氧化物, 如Fe2O3 和In2O3, 氢可使氧化物还原为金属。这样, 在300左右用蒸汽可使金属重新氧化得到大量纯氢。它可安置在燃料电池车辆上为燃料电池提供氢气。它不产生CO2,与常规的甲烷转化技术相比具有经济上的优点。 Energex 公司开发了天然气膜法脱氮用于燃料电池的技术。该系统将天然气预处理后送入催化转化器产生氢气供磷酸燃料电池使用。在转化器中,如氢转化成氨, 它会与酸反应缩短燃料电池组合块的寿命。脱氮系统采用空心纤维膜, 在由微孔聚丙烯支撑的结构上涂敷0.5m 厚聚硅烷, 形成气体分离阻挡层阻止N2,

28、第一套工业化装置处理的气体已供应给Omaha 公司的4台200kW 燃料电池组运行。氮的减少可使该燃料电池组寿命延长4倍, 达到6年。更换燃料电的费用为2500美元/kW, 而降氮费用小于600美元/kW。天然气的含氮量从8.5%减小到6% 即可满足用户要求。该公司拟建的大规模系统可将粗天然气的含氮量减小到任意的管输规格。 5.3 甲醇燃料电池戴姆勒- 克莱斯勒公司、巴斯夫公司、BP 公司、Methanex 公司、Statoil 公司和Xcellsis 公司联合将甲醇燃料电池汽车推向商业化, 开发了以甲醇为燃料的燃料电池汽车NECAR5。甲醇是一种理想的液体贮氢介质, 在常温下为液体, 可像汽

29、油或柴油燃料一样运输、贮存和处理。甲醇转化制氢所用的催化剂为巴斯夫公司提供的氧化铜催化剂和其他金属氧化物催化剂。在甲醇和水混合进入转化器后,高活性的催化剂可使甲醇转化产生大量氢气, 工作温度为200 350 。NECAR5 的推出, 标志着甲醇燃料电池技术向商业化迈出了重要的一步。戴姆勒- 克莱斯勒公司推出的NECAR 5 汽车堪称是燃料电池技术的里程碑。这种燃料电池动力汽车在美国已完成了3000英里行车试验。NECAR 5是戴姆勒- 克莱斯勒公司开发的第5 代燃料电池汽车, 由Ballard 燃料电池驱动系统带动, 该系统包括车载甲醇转化器, 转化器从液体甲醇抽取氢气驱动燃料电池。汽车主体为

30、Mercedes-Benz A 级类型。在穿越美国的行车试验中, 汽车每300英里用克莱斯勒分配器配给的甲醇补加一次燃料。甲醇由Methanex 公司提供。12第一座支撑甲醇动力燃料电池汽车的甲醇加注站已于2000 年4 月25 日在加州萨克拉门托对外营业。该站由加州燃料电池联合体( CaFCP) 运作。该站设计采用了包括瑞典Identic 公司开发的加注新技术, 系统包括防虹吸设施和汽车与燃料喷嘴之间的固定闭锁器。甲醇贮存在2000加仑的双壁罐内。现在, 西萨克拉门托地区已运营8 家汽车生产商生产的16台燃料电池动力车。 目前世界甲醇市场供过于求, 但甲醇可望成为未来环境友好的燃料电池燃料。

31、据预测,燃料电池将为2010年甲醇需求增加70 万t、2015年增加850万t、2020 年增加6000万t。从长期看,燃料电池工业将为甲醇工业提供巨大的发展潜力。5.4 汽油燃料电池通用汽车公司和丰田汽车公司均致力于汽油燃料电池的开发。该技术从清洁碳氢化合物燃料的汽 油中制取氢气, 采用这种制氢方式的燃料电池优点是采用含硫少的清洁燃料, 可延长燃料电池的自身寿命, 并且容易维修。由于使用汽油, 现有的汽油加油站也能得到充分利用。同时其能量利用效率较高,电池可高达22% 32% ; 排放CO2 也较少,汽油燃料电池仅为110 140g / km。通用汽车公司和埃克森美孚公司开发了以汽油为燃料的

32、燃料电池高效转化器, 可产生高质量的氢气用以驱动燃料电池。现已完成汽油转化器集成系统的验证, 该燃料电池组可产生25kW动力。雪佛龙德士古公司也和通用汽车公司多年来合作研究开发汽油型燃料电池汽车。2001年8月, 通用汽车公司首次推出第一台汽油燃料电池推进系统: Gen ,该系统已装配在Chev rolet S- 10 货运卡车上。燃料电池所用能源的重要一环是供应超清洁燃料。使柴油和汽油中的硫减少或去除是清洁燃料研究中最严峻的挑战之一, 也是美国实施”21 世纪梦想”能源计划重要的组成部分。另一问题是随着成品汽油和柴油中允许含硫量的降低, 而可用原油平均含硫量却在增高, 燃料电池要求使用更严格

33、的清洁燃料, 液体烃燃料含硫应小于1g/ L, 才能避免毒害燃料加氢催化剂和燃料电池电极催化剂。 正在开发的一项清洁燃料生产技术是被称为选择性吸附脱硫( SARS) 工艺, 该工艺使用基于过渡金属的吸附剂, 负载在多孔固体载体上, 如MCM- 41硅铝酸盐分子筛。它与使噻吩催化脱硫的方法不同, 该工艺可在低温和常压下使硫选择性地从金属原子上脱除, 而需要的不含硫的芳烃如烷基苯和萘则予以通过。SARS 工艺不使用氢气, 为此烯烃和其他芳烃不被加氢。氢可用于其他用途, 如驱动燃料电池。在喷气燃料试验中, SARS 方法可使燃料含硫从500mg / L 减小至小于1mg/ L。该方法已申请专利权。S

34、ARS 方法是现有脱硫工艺的替代方案, 另一替代方案是菲利浦斯石油公司新的S- Zorb 工艺,它也使用吸附剂捕集硫化物, 但SARS 工艺吸附脱硫是在室温和常温下进行, 不使用氢气, 而S -Zorb 工艺使用高温和低的氢压, 将硫转化为硫化物, 耗用一定量的氢气。 近来又有包括新催化剂配方的开发、指定反应和工艺条件、设计新的反应器或者开发基于吸附、氧化、膜分离、生物技术或离子液体的全新的工艺等方法出现, 上述的一些方法可望应用于炼油厂生产超清洁燃料, 它们也将作为美国“21 世纪梦想”能源计划的炼油厂技术脱颖而出。6 我国的研发进展我国2类碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统通过了航天环境模拟试验

35、。国家已将质子交换膜燃料电池列为重点攻关项目, 以大连化学物理所为牵头单位, 在国内全面开展了质子交换膜燃料电池的材料和电池系统的研究, 并组装了多台各种功率( 125kW) 的电池组和电池系统, 达到了电动车动力源的要求。以纯氢为燃料的5kW 6= 30kW 质子交换膜燃料电池为动力的中巴车也试运成功。大连化物所5 kW 级甲醇自热转化氢源系统与燃料电池一次联试也取得成功, 集成的转化氢源系统和转化气燃料电池技术标志着我国在甲醇自热转化氢源系统和转化气燃料电池的研制方面取得了突破性进展。在6 个多小时的联试过程中, 氢源系统及燃料电池系统的工况均正常稳定, 甲醇转化气中CO 浓度为3 10-

36、 5左右, 氢气含量达到53% , 燃料电池输出功率始终维持在5 512 kW 之间。联试结果不仅证明了燃料电池的抗CO 能力很好, 而且采用燃料电池尾气作为制氢系统的燃料气, 实现了全系统的能量平衡和优化利用。14 7 燃料电池的发展方向 21 世纪的人类不仅要改善生存环境, 减少污染, 更渴望用清洁的能源替代有害的能源, 燃料电池可望成为人类新的清洁能源, 它的发展方兴未艾。尽管燃料电池有诸多优势，但也存在一些不足。其一，燃料种类较为单一。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。其二，密封要求高。单体燃料电池之间的连接要求很好的密

37、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，同时带来安全隐息。其三，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。这些原因导致质子文换膜燃料电池价格居高不下。再者，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0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一20 一一40 的温度下浸泡了一夜之后迅速恢复活性。最后，需要配备辅助电池系统。燃料电

38、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。由此可见，燃料电池今后的发展方向应是响应社会的号召，朝着技术密集型，环境友好型，资源多样性的方向前进。本文考察了温度、质子交换膜以及电极对电池的影响，试图寻找更好的电池条件。通过分析计算，电池温度为353.5K 时, 阴极加湿温度的最佳工作范围为336.15 361.15K, 阳极加湿的最佳工作范围为43.15373.15K。20质子交换膜燃料电池( PEMFC ) 具有高功率密度、高能量转换效率、环保无污染、低热辐射和低排放、无噪音等特点

39、, 不仅成为未来纯电动汽车、小型固定基站和便携式用电设备的最理想能源, 具有广阔的市场前景; 而且在航空航天和军事领域的应用也在不断扩大。在PEMFC 中, 质子交换膜起着传导质子、用作电极反应介质和催化剂载体、隔离阴极和阳极反应物的作用, 是整个电池的心脏。通过对全氟磺酸树脂分散液成膜机理29、复合改性方式对膜微观形态、物质传输性质影响等方面进一步加强研究，质子交换膜取得了进一步发展。研究发现PtIr/ C 催化剂是组合再生燃料中良好的氧电极双效催化剂。3，27 随着时代的发展，酶燃料电池、微生物燃料电池脱颖而出。酶燃料电池能量转化效率高、生物相容性好、原料来源广泛、可以用多种天然有机物作为

40、燃料, 是一种真正意义上的绿色电池。它在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值, 如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗以及生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、可再生, 因此酶燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。酶燃料电池可以分为直接使用酶的酶燃料电池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池。其优势表现在长期工作稳定性好以及对燃料的催化效率较高且没有传质壁垒。近几年, 国内外对酶燃料电池的研究不断深入。酶燃料电池的进一步研究和发展需要多学科、多领域的研究人员的广泛参与, 共同合作。相信酶燃料电池作为一种绿色能源会在能源和医疗等领域发挥巨大的作用。4,

41、11微生物燃料电池法处理污水的技术正向无介体、无膜的方向继续发展，在实际应用的道路上正一步步走向可行。目前微生物燃料电池处理污水技术要解决的关键问题是应该继续提高输出功率和库仑转移效率、进一步降低电池成本等，MFC 的性能除面临与氢燃料电池相同的阴极氧化还原动力学的困难外，还存在阳极微生物细胞内的电子向电极表面有效转移，以及O2 穿透隔膜的问题，这些问题的解决都是MFC 的关键。8,28而今的熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池也有了长足的发展。现有的设计和试验结果为MCFC 技术的发展指明了方向。传统燃料电池系统为了充分利用燃料, 通常采用一系列电池模块以提高利用率, 或燃烧剩余的燃料提供

42、热量。在各模块之间设置换热器, 从而使随后的电池工作在期望温度。而在多段燃料电池中, 工作温度逐段递增, 因而无需换热器冷却各段之间气流。从而降低复杂性、成本和损失。多段方案的另一个优点是减少燃料的未反应部分。各段的电压和电流密度可以不同, 能在不损失整体性能的前提下获得相当高的燃料利用率。20，21以氢为燃料的高温SOFC 的研究, 除了大规模生产时的成本问题外, 在技术上已经趋于成熟; 而中温SOFC 还处于发展阶段, 要投入实际应用还有一些技术问题急待解决。显然以碳氢化合物为燃料的SOFC( 包括间接氧化SOFC 和直接氧化SOFC) , 将会逐步成为未来关注和研究的焦点。5，10技术的

43、进步势必要造福人类！现在燃料电池已经应用到交通领域。16质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC） 因其环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、易维护等优点，特别适合作为移动电源，成为燃料电池开发的热点。由于PEMFC 以上的优点，将来很有希望代替内燃机成为汽车的发动机。然而其也存在不足，一是燃料处理和降低燃料电池系统的成本，这是开发燃料电池汽车遇到的最大挑战；二是燃料电池汽车必须的燃料补给基础设施建设，这是未能解决的问题之一；三是燃料电池本身的寿命的延长、费用降低、系统的优化、子系统设计、体积和重量的

44、控制等。23近期燃料电池研究的目标应是进一步降低其成本，解决电池及附属部件的小型化，并投入汽车领域实际运行。现在，PEMFC 的技术研究比较成熟, 初步具备了产业化的条件。这些车用燃料电池大多采用氢气，有些使用天然气、甲醇以及轻油，通过一定转化间接使用氢气。25尽管目前燃料电池的研究重点是政府资助电动汽车项目，但是, 燃料电池的真正产业化应该是以电动自行车等应用为主、以小功率质子交换膜燃料电池为代表、在军事和政府采购部门率先示范应用、政府采购资助和产业化技术互动促进发展的质子交换膜燃料电池。为保证中国燃料电池产业化的健康发展, 政府应该重点资助小功率质子交换膜燃料电池的产业化技术研究。这样电动

45、自行车用PEMFC就能真正实现产业化。18而今由于燃料电池混合动力列车在世界上仍处在尝试阶段, 因此还存在许多尚待解决的难题. 例如如何进一步降低动力系统的成本; 高效率的能源管理控制方法; 大功率燃料电池的设计开发; 氢气泄漏时的安全对策; 混合动力列车的传动控制与再生制动; 混合动力列车的运行与维护系统等.。总之, 作为一种高效、环保、节能的新型列车, 燃料电池混合动力列车将促进轨道交通系统的重大改革和发展, 是一种具有巨大潜力的新型轨道交通工具。28 结论对燃料电池的开发研究以及商业化, 是解决世界节能和环保的重要手段。 燃料电池的先进性和实用性已经得到世界的公认, 我国也在加大对燃料电

46、池的开发、研究与利用力度. 尽管燃料电池还存在一些问题, 比如电极材料、制造成本、催化剂以及质子膜等等问题, 但是瑕不掩瑜, 加快燃料电池发展必然是世界发展的总趋势. 在发展燃料电池过程中, 应该根据各种不同燃料电池各自的优缺点和发展障碍, 有针对性地展开适宜的研究, 使各种燃料电池都能发挥应有的作用. 还有就是可以先推广一下类似燃料电动自行车之类的技术含量相对低一些的燃料电池产品，让人们对燃料电池产生兴趣，有了一定的支持和必要的市场，相信燃料电池将发展的更快。总而言之，随着燃料电池技术的进一步深化, 必将能够加快我国经济建设与可持续化发展步伐，我们将拭目以待！ 参考文献：1. 陈进富，蔡卫权

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