新型的绿色能源--燃料电池

新型的绿色能源－燃料电池

南京理工大学化工学院王连军 210094

进入21世纪后，环境污染和能源短缺问题越来越引起人们的关注。开发新型的清洁高效的能源成为是解决这些问题的关键。在已开发和利用的新型能源中，燃料电池由于其高效环保的优势，被誉为21世纪的绿色能源。

1.燃料电池的基本原理

图1. 燃料电池的结构示意图

燃料电池(Fuel Cel1)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置。燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等组成。图1是燃料电池的基本组成和工作原理。它的发电原理与化学电源大致相同，由电极提供电子转移的场所，阳极为氢电极，阴极为氧电极，两极之间是电解质，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功，并构成电的回路。但它与普通的化学电池(干电池)又有显著的差异，普通化学电池必须储存它的化学能，它的输出电量会随着时间被耗损，直到最后电池完全放完电。而燃料电池可以不断地填充燃料（如储存在电池外面的

氢），只要不停的有燃料供应，燃料电池就会不停的产生电能。这点与使用燃料的内燃机又十分相似，故称为燃料电池。在能源的转化方面，燃料电池比内燃机的效率要高2～3倍，甚至可以达到60～80％。如果仅用氢气作燃料，最后产物是电能、热能和水，是真正的绿色能源。

目前正在研究和使用的燃料电池主要有：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。各类燃料电池之间的主要区别在于使用的电解质不同及使用温度不同。表1列出了目前已开发或使用的各类燃料电池的基本性能参数及应用范围。

表1 燃料电池的基本参数及应用领域

类型 缩写 电解质 工作温度（o C）容量范围

转化效率 应用领域

碱性 AFC液态氢氧化

钾 ≤8010kW－

100KW

60－70% 空间技术

质子交换膜 PEMFC聚合物 (Nafion)70–120

(PBI)125–200<1kW－

500KW

50－70% 电动车辆

小型供电

磷酸 PAFC磷酸 100－20010MW55%小型供电熔融碳酸盐 MCFC熔融碳酸盐600－650100MW55%供电

固体氧化物 SOFC陶瓷 700－1000100MW60－65% 供电

2. 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池在汽车、野外作业、电脑、手机等移动设备的电能供应方面显示了广泛的应用前景，也是目前世界上研究的重点之一。

图2 Nafion的化学结构示意图

在质子交换膜燃料电池中，质子交换膜是最重要的部件之一。目前已经投入应用的主要为全氟磺酸聚合物质子交换膜，其中最有名的是杜邦公司开发的Nafion系列膜材料。图2为Nafion的化学结构示意图。它具有类似Teflon的主链，能够实现质子交换和传递的磺酸基团通过柔性侧链和高分子主链相连接。在Nafion膜的内部可以形成独特的质子通道。Nafion独特的结构使得它具有许多的优点。如：较高的质子导电率，优异的化学稳定性，等等。目前已实用化的质子交换膜燃料电池大部分采用全副磺酸聚合物质子交换膜。除Nafion系列膜以外，美国的陶氏化学公司（Dow Membrane）、日本的旭硝子公司(Flemion)及旭化学公司(Aciplex)等也开发了类似结构的质子交换膜，并开始应用于燃料电池中。

然而，Nafion类全氟磺酸聚合物质子交换膜还有不少的缺点。其价格十分昂贵，Nafion膜的价格大约为800美元/m2，按每辆汽车使用100m2计，仅膜的成本也在8万美元左右，即使考虑大规模生产成本有较大幅度的下降，对于这类燃料电池在民用车辆中使用仍有很大的难度。Nafion膜的使用温度不高于80o C，而且甲醇透过率较高，在以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池中的应用也存在较大的问题。另外，含氟材料废弃时带来的环境污染仍然还是较大的问题。因此，开发价格低、性能好、寿命长的非氟的质子交换膜是目前世界上燃料电池研究的热点之一。研究开发的重点集中在磺化全芳型或杂环型聚合物。近一二十年来，人们已经开发了磺化聚酰亚胺、磺化聚芳醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化聚苯并咪唑及磺化聚苯等聚合物膜，其中某些种类已显示了良好的应用前景，经过进一步的改进，有望应用于燃料电池中。另外，DMFC使用昂贵的铂作为电池反应催化剂，优化电池组件的研究也在同时进行，并取得了较大的进展。有理由相信，质子交换膜燃料电池在不久的将来必将实现商业化，走进我们千家万户，为人类造福。

3.燃料电池的应用

燃料电池首先于上世纪60年代在美国的航天领域实用化，经过40多年的发展，燃料电池在军事和民用领域都已开始得到应用。作为新一代的发电技术，燃料电池在军事领域中应用的优势十分突出，具有广泛的应用前景。燃料电池能够

大幅度改进各类军用电源、军用车辆和军用舰船的动力性、隐身能力和攻击能力，其特有的高效率和环保性已引起了全世界的关注。鉴于其重要性，燃料电池已经被美国列为使美国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一。

3.1 燃料电池在航天航空中的应用

进入2O世纪6O年代以后，由于载人航天对于大功率、高比功率和高比能量电池的迫切需求，燃料电池引起了一些国家与军工部门的高度重视，美国在阿波罗号(Apollo)登月计划中，就将质子交换膜燃料电池作为双子星座宇宙飞船的电能供应系统，使燃料电池在航天领域进入了实用阶段，也使燃料电池的研究进入了第一个高潮。燃料电池应用于航天航空的另一个好处是燃料电池发电的副产物“水”对于太空飞行器来说也是宝贵的资源。

3.2 燃料电池在潜艇上的应用

目前常规潜艇装备的是传统的柴油——电力推进系统，水下行驶、推进等所需电能需柴油机充电提供，由于铅酸蓄电池容量有限，潜艇的连续潜游距离受到限制。上浮充电不仅很容易被对方雷达侦察到，同时，柴油机为蓄电池充电时所产生的噪声也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁。为求获得隐蔽和长航性能，很多国家都在研究采用不依赖空气的动力装置AIP(Air Independent Propulsion)，其中燃料电池系统显示了其独特的优越性。2005年4月7日，由燃料电池驱动的德国212型U31号潜艇在德国基尔港进行了首次下水试航，世界各国海军为之轰动。标志着燃料电池驱动潜艇技术已由研制走向实用。

潜艇采用燃料电池供电系统后，其红外特征很小，向海水辐射的能量很少；基本不向艇外排放废物；声特性不超过柴电推进装置，能够进行超安静运行，这些特性使得潜艇的隐蔽性大大提高，具有极强的“隐形”作战能力。PEMFC重量轻，体积小，功率密度高的优点可扩大仓容，增强潜艇的灵活性和战斗力。它的低噪声、无污染的优点能改善艇员的生活条件。

3.3 燃料电池在陆地作战系统中的应用