燃料電池的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景綜述

邵明標(biāo)

(阜陽幼兒師范高等?？茖W(xué)校，安徽 阜陽 236015)

隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，所需化石燃料也越來越多，對環(huán)境造成的污染日益加劇，現(xiàn)迫切需要尋找可作為替代品的清潔能源。氫能因其具有熱值高、能量轉(zhuǎn)化率高等特點，是一種理想的清潔能源[1]，燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)是一種將氫氣(H2)和氧氣(O2)通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其反應(yīng)過程不受卡諾循環(huán)限制、無污染、能量轉(zhuǎn)化率高，對環(huán)境零污染。因此，受到較多企業(yè)的關(guān)注，具有較為廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 燃料電池基本簡介

1.1 燃料電池分類

燃料電池種類較多，依據(jù)分類方法不同，可以分為多種。根據(jù)電解質(zhì)的類型不同，可分為五類[3]：堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，相關(guān)性能具體見表1。

表1 燃料電池的分類

1.2 燃料電池(PEMFC)工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種新能源發(fā)電裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。因工作溫度低、能量轉(zhuǎn)化率高、啟動時間短等特點[4-5]，廣泛應(yīng)用于移動電源、家用電源、電動汽車等領(lǐng)域。

如圖1所示，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由以下四部分組成：陽極、陰極、電解質(zhì)及外部電路。

陽極：氫氣(H2)在陽極上發(fā)生可控催化的化學(xué)反應(yīng)，分離為氫原子核(H+)和電子；電子再由陽極出發(fā)，經(jīng)外部電路，到達陰極，并最終形成電流；氫原子核(H+)則存于電解液中，也從陽極出發(fā)，透過質(zhì)子交換膜，最終到達陰極。

陰極：氧氣(O2)在陰極發(fā)生可控催化反應(yīng)，與陰極的電子結(jié)合，分解成氧分子(O2-)，最后再與質(zhì)子相結(jié)合，生成水分子(H2O)。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)工作原理示意圖[6]

2 燃料電池國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

燃料電池起源于1838年，Willian Robert Grove于1843年公開發(fā)表并提出“氣體電池”的原始模型，被稱為“燃料電池之父”，其所使用的實驗裝置也被稱為燃料電池的第一個裝置，氣體電池的工作原理為燃料電池的誕生奠定了理論基礎(chǔ)[4]。

燃料電池因制造成本、電極材料、市場等限制，多年來未受重視。直至20世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星和太空宇宙飛船等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，使得燃料電池技術(shù)再次得到重視，加之能源匱乏和環(huán)境污染等問題的日益突出，使得燃料電池技術(shù)得到了合理的開發(fā)。

我國燃料電池技術(shù)研究始于20世紀(jì)50年代末，到70年代出現(xiàn)了第一次研究高峰，主要用于航天航空領(lǐng)域的堿性燃料電池(AFC)，如肼/空氣、氨/空氣、乙二醇/空氣燃料電池等。到了80年代，我國燃料電池研究一度處于低潮期，自90年代以來，隨著國外燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，在國內(nèi)掀起了新一輪的研究熱潮，但截止目前，我國的燃料電池技術(shù)與國外相比仍有差距，整體產(chǎn)業(yè)處于研發(fā)和小規(guī)模示范運行階段。盡管通過國家相關(guān)政策的扶持，已初步掌握了燃料電池電堆和關(guān)鍵材料、動力系統(tǒng)等的核心技術(shù)，但在關(guān)鍵材料的開發(fā)使用及工藝等方面與國外相比仍有明顯差距[7-15]。

3 燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展存在問題

隨著環(huán)境問題的日益突出，人們迫切需要尋找既有較高的能源利用效率，而又不對環(huán)境造成污染的新能源，而燃料電池是比較理想的發(fā)電技術(shù)。燃料電池的特點既可應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域，也可應(yīng)用于民用，如機動車、移動設(shè)備等領(lǐng)域。伴隨著燃料電池技術(shù)的不斷突破和創(chuàng)新，燃料電池的小型化設(shè)計因符合市場的需求，也成為燃料電池的發(fā)展方向之一，可作為筆記本電腦、照相機、無線電電話等攜帶型電子產(chǎn)品的電源。

但我國在燃料電池技術(shù)研究方面仍存在一些問題，如：過多對燃料電池應(yīng)用方面進行研究，而對質(zhì)子交換膜燃料電(PEMFC)的市場化尚未進行實現(xiàn)研究，而燃料電池的發(fā)動機、備用電源、電站等項目，都只是由政府買單的研發(fā)-示范項目，距離實現(xiàn)商業(yè)化還有較大差距。而燃料電池能否順利實現(xiàn)商業(yè)化，是能否實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要保障。此外，研究燃料電池技術(shù)所需的成本(如資金、材料、催化劑等問題)和燃料電池使用壽命，同樣是影響其能否實現(xiàn)商業(yè)化的重要保障[16-25]。

4 燃料電池應(yīng)用前景分析[26-37]

燃料電池技術(shù)的實用性已經(jīng)得到業(yè)界公認(rèn)，盡管目前還存在一些問題，如燃料電池的研發(fā)與利用等方面，但作為較為理想且能達到零污染的清潔能源，燃料電池技術(shù)研究及應(yīng)用已急劇增加。隨著對燃料電池成本的控制和氫能技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也正不斷拓寬，并形成良好的良性循環(huán)，燃料電池商業(yè)化進程中的問題也將會逐步得到解決。此外，隨著我國政府對燃料電池技術(shù)的高度關(guān)注，也使得研究單位越來越多，且具有多年的人才儲備和科研積累、產(chǎn)業(yè)部門的興趣也不斷增加等，這些都將為我國燃料電池技術(shù)的高速發(fā)展帶來了無限的生機。

5 結(jié)論

燃料電池技術(shù)研究對于緩解能源危機和環(huán)境污染具有重大的戰(zhàn)略意義，盡管現(xiàn)階段仍有很多技術(shù)難題需要克服，如在技術(shù)及商業(yè)化推廣等方面。但相信隨著燃料電池技術(shù)研究的不斷發(fā)展，都將會得到解決，而燃料電池因其能量轉(zhuǎn)換率高、安全環(huán)保等特點，對于未來的社會和經(jīng)濟將起到重要的支撐和保障作用，逐漸成為未來能源發(fā)展的重要方向之一。