小型氫燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) ①

于承雪，張心周，張 科，劉 陽，沈 藝

(1.中鈦國創(chuàng)(青島)科技有限公司，山東 青島 266111；2.沈陽中鈦裝備制造有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 引言

在全球綠色低碳轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下，氫氣作為一種清潔的高效的可再生能源，已成為新一輪能源技術(shù)的變革方向，世界各國和地區(qū)正圍繞氫能源加快全產(chǎn)業(yè)鏈布局。燃料電池(fuel cell，F(xiàn)C)是一種將燃料和氧化劑在催化劑的作用下，把兩者電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，且能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染。目前，氫燃料電池主要以發(fā)展大功率型燃料電池為主[1-3]，主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，如重卡、乘用車、叉車等，用量逐年增多。自1990年代開始，世界各國的科研機(jī)構(gòu)、院校、企業(yè)致力于將小功率型氫燃料電池開發(fā)應(yīng)用于便攜式電源、移動(dòng)分布式電源、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)等小型設(shè)備電源，以減少人類對(duì)化石能源的依賴[4-5]。

2 氫燃料電池的原理

氫燃料電池是將氫氣和空氣中的氧氣在催化劑的作用下，兩者的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，且反應(yīng)產(chǎn)物只有水，其結(jié)構(gòu)由陽極、陰極、電解質(zhì)、外部電路構(gòu)成。氫氣由燃料電池的陽極端通入，然后在陽極催化劑的作用下形成帶正電荷的氫離子并穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，與空氣中的氧結(jié)合形成水，而在陽極釋放的電子通過外電路傳導(dǎo)到陰極形成回路，從而產(chǎn)生電流[6]。

燃料電池根據(jù)不同的電解質(zhì)，可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cell,AFC)、磷酸鹽型燃料電池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(molten carbonate fuel cell,MCFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、固態(tài)氧化物型燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)和直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)。其中，PEMFC技術(shù)是目前全球最成熟、發(fā)展最快、示范應(yīng)用推廣最多的燃料電池技術(shù)。

3 氫燃料電池的特點(diǎn)

由于氫氣和氧氣在催化劑作用下的電化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)產(chǎn)物只有水，所以燃料電池既可以供電，也可以供熱，其主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)。

(1)能量轉(zhuǎn)化率高，目前在燃料電池的設(shè)計(jì)、材料、工藝等不斷優(yōu)化提高下，各類燃料電池的電效率可達(dá)40%～60%，若采用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其綜合效率可高達(dá)85%以上。

(2)無環(huán)境污染，由于燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只有水，從根本上避免了二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等有害物質(zhì)的排放。

(3)低噪音，由于燃料電池采用電化學(xué)發(fā)電原理，除供氫、供氧、冷卻系統(tǒng)等部件外，其電堆發(fā)電沒有活動(dòng)部件，因此工作時(shí)噪音低、安靜。

(4)可靠性高，與普通電池、鋰電池相比，燃料電池可實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下正常工作，可作為各種應(yīng)急電源、便攜式電源使用。

(5)氫燃料來源廣泛，既可以通過煤、石油等化石燃料制取氫氣，也可以利用風(fēng)電、太陽能、潮汐能等可再生能源電解水制取氫氣。

4 小型氫燃料電池的應(yīng)用

4.1 便攜式電源

氫燃料電池作為便攜式電源，與鋰電池相比，質(zhì)量輕、續(xù)航時(shí)間長，為此世界許多公司對(duì)便攜式氫燃料電池進(jìn)行了深入的研發(fā)。

美國Ultracell公司2005年為美國陸軍研制了一種專用產(chǎn)品XX25型RMFC，該系統(tǒng)質(zhì)量僅為1.14 kg，輸出功率為25 W，配備16.8 kg的燃料筒，可連續(xù)供電28天[7]。美國Ball公司[7]為美國陸軍提供了功率為50 W和100 W的PPS-50和PPS-100便攜式PEMFC，主要用于為軍用電池充電、通信基站電源。

浙江高成綠能科技公司開發(fā)的MINEK100便攜式PEMFC發(fā)電系統(tǒng)，質(zhì)量約15 kg，系統(tǒng)體積36.9 L，額定功率70 W，峰值功率150 W，可作為電子裝備供電電源。上海攀業(yè)氫能源科技有限公司推出了200 W型PEMFC系統(tǒng)，采用硼氫化鈉作為氫源，可在20～200 W的功率區(qū)間內(nèi)供電。北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司推出了系統(tǒng)質(zhì)量1 kg左右、輸出功率20 W的NowoGenS 20型便攜式PEMFC系統(tǒng)[8]。

4.2 小型氫燃料電池?zé)o人機(jī)

與傳統(tǒng)的燃油動(dòng)力無人機(jī)相比，氫燃料電池作為能源，具有無污染、低噪音等優(yōu)勢(shì)，更加適用于無人機(jī)完成各種復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)[9-11]。

2003年，Aero Vironment公司開發(fā)了小型燃料電池“Hornet(大黃蜂)”無人機(jī)項(xiàng)目，無人機(jī)采用PEMFC系統(tǒng)，總質(zhì)量170 g，航時(shí)15 min，開啟了燃料電池?zé)o人機(jī)時(shí)代[12,13]。

2009年美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室完成了“Ion Tiger(離子虎)”無人機(jī)項(xiàng)目的研制，采用Protonex公司550 W輕型燃料電池，攜帶氣態(tài)氫氣創(chuàng)造了航時(shí)26 h的飛行記錄[14,15]。2019年，韓國Meta Vista公司采用Intelligent Energy公司800 W的燃料電池動(dòng)力模塊，配備6 L液態(tài)儲(chǔ)氫瓶，創(chuàng)造了旋翼類無人機(jī)最長航時(shí)12 h的記錄。表1為國外輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)性能/參數(shù)。

表1 國外輕小型燃料電池?zé)o人機(jī)性能/參數(shù)Table 1 Performance/parameters of foreign light and small fuel cell UAV.

2010年，臺(tái)灣成功大學(xué)采用1 000 W的燃料電池和5 000 mAh的鋰電池，開發(fā)了無人機(jī)“灰禿鷹”，總飛行時(shí)長為15 min[16]。2016年，深圳科比特航空公司采用1 800 W燃料電池和鋰電池共同供電，研制了HYDrone-1800多旋翼無人機(jī)，進(jìn)行了4 h的試驗(yàn)[17]。圖1為旋翼氫燃料電池?zé)o人機(jī)。

圖1 旋翼氫燃料電池?zé)o人機(jī)Fig.1 Hydrogen fuel cell powered rotor UAVs.

4.3 小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)

小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是一種既可以發(fā)電，也可以供熱的能源裝置，是一種新型分布式能源技術(shù)，即使是在較小輸出功率的情況下，系統(tǒng)的綜合能源利用效率也可以超過90%，其一般輸出功率不大于5 kW。

美國Massie[18-19]等人開發(fā)了5 kW家用質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，其發(fā)電效率為24.4%，綜合利用效率為29.7%，為熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能提升和應(yīng)用推廣積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

德國的Konig[20,21]等人開發(fā)了2 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，既能提供2 kW的交流電，也能提供60 ℃熱水。

2004年韓國GSFuelCell公司開發(fā)了1 kW家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，發(fā)電效率32%，發(fā)熱效率44%，可提供60 ℃熱水。

2008年日本通產(chǎn)省制定了ENE-FARM計(jì)劃，由松下、東芝等企業(yè)負(fù)責(zé)開發(fā)700～1 000 W家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。從2009—2019年，共銷售30萬套以上系統(tǒng)，其產(chǎn)品綜合效率達(dá)90%，產(chǎn)品壽命可達(dá)10年[22]。日本熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意如圖2所示。

圖2 日本熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意Fig.2 Schematic diagram of the structure and principle of the combined heat and power system in Japan.

我國氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，以中小企業(yè)為主，開發(fā)和應(yīng)用的產(chǎn)品種類少，市場(chǎng)培育進(jìn)展緩慢，產(chǎn)品整體性能較國外同類產(chǎn)品有較大差距。上海神力科技有限公司開發(fā)了3 kW純氫熱電聯(lián)供系統(tǒng)，能量綜合效率超過80%。2019年江蘇鏵德氫能源科技有限公司開發(fā)的5 kW熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其發(fā)電效率在30%～34%，能量綜合效率可達(dá)85%以上。表2為國內(nèi)外小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)產(chǎn)品性能[23]。

表2 國內(nèi)外小型氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)產(chǎn)品性能Table 2 Performance of small hydrogen fuel cell heat and power system at home and abroad.

4.4 氫燃料電池自行車、摩托車

PEMFC是一種高效、環(huán)保的新型能源動(dòng)力系統(tǒng)，特別適用于自行車、摩托車的動(dòng)力來源。

2000年12月，Manhattan Scientific與Aprilia S.D.A.公司共同開發(fā)了一款燃料電池概念自行車Enjoy，該車采用Nov Ars PEMFC系統(tǒng)，2 L貯氫瓶，速度30 km/h，可行駛112 km。2001年加拿大PaLcan公司采用400 W空冷的PEMFC系統(tǒng)開發(fā)的概念自行車，PEMFC系統(tǒng)質(zhì)量為2 kg，速度25 km/h，可行駛125 km[24]。

2010年日本鈴木開展燃料電池摩托車的研究，并在2014年6月推出了Burgman，采用Intelligent Energy提供的1.6 kW PEMFC系統(tǒng)，摩托車總重170 kg，最高速度63 km/h，在30 km/h速度下，可行駛350 km。

上海神力科技有限公司開發(fā)了一款500 W PEMFC系統(tǒng)自行車，速度30 km/h，可行駛80～120 km[24]。2021年1月，宗申動(dòng)力采用自主研發(fā)的PEMFC系統(tǒng)，開發(fā)了一款氫燃料電池摩托車，最高速度100 km/h，可行駛100 km。王順全[25]開發(fā)了一種自行車用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，采用風(fēng)冷的240 W PEMFC系統(tǒng)和48 V@8 Ah鋰電池，配備2 L@30 MPa儲(chǔ)氫瓶，最高速度25 km/h，可行駛150 km。

5 結(jié)論

在“碳達(dá)峰、碳中和”大趨勢(shì)下，氫能源是最具潛力的新一代能源。氫燃料電池是一項(xiàng)能源轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保、低噪音的革新技術(shù)，隨著國家、地方政府的各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)、支持及示范應(yīng)用推廣，氫燃料電池技術(shù)必將迎來技術(shù)的全面進(jìn)步、成本的大幅降低、電池可靠性和使用壽命的顯著提高及基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)施的逐步完善。小型氫燃料電池系統(tǒng)將會(huì)在人們的生活中得到日漸廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)急電源、獨(dú)立住宅、小型集中住宅、便利店、獨(dú)立商戶、自由出行等，要對(duì)小型氫燃料電池的未來充滿極大的信心。