【原】浅析燃料电池关键技术（1）

摘要：本文阐述了燃料电池的技术特性和优点，论述了研制生产燃料电池的关键技术，介绍了燃料电池在军事上的应用。

关键词：燃料电池  关键技术  军事应用

1.概述

     燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。

     通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。燃料电池发电效率高，功率可达60%以上，如果高温燃料电池配和联合循环，效率可达85%。而且，效率受燃料电池规模和负荷大小影响步大。燃料电池发电出力能快速跟踪负荷变化，速度可达每秒变化全负荷的50%，调峰能力极强。

     燃料电池发电的重要优点是对环境污染很小，由于没有燃烧过程，可以实现实际上的零排放。燃料电池另一达优点式省水。这对水资源缺乏的我国而言极为重要。此外，燃料电池发电非常适合分布式供电，节省输电投资，摸块结构，便于扩建等等优点。

     早期的燃料电池是碱性燃料电池，曾用于宇航。现再商用的多为磷酸燃料电池（PAFC）。正再开发研究熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换薄膜燃料电池这被认为是最有希望取得大规模应用的新型燃料电池。固体氧化物燃料电池是高温燃料重整器。煤的氧化装置于固体氧化物燃料电池内进行，不需外加燃料重整器。煤的氧化装置于固体氧化物燃料电池组合将构成未来以煤燃料的清洁高效的新型发电设备。

      现在全球已有100座以上FC发电厂再运行，主要是硫酸燃料电池。容量最达为11MW。美国西屋公司正在设计已座20MW的固体氧化物燃料电池，占地仅0.135公顷，造价可低到110美元/KW。预计到2010年全球燃料电池总容量可达6000MW。

燃料电池具有的优点是：高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率、燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化、噪音低；可以实现实际上的零排放；省水、安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统。目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。

2.燃料电池的关键技术

可用于便携应用的燃料电池系统有很多种，磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。

包括质子交换膜或聚合物电解液膜(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)和直接乙醇燃料电池(DEFC)。当前业界争论的焦点是选择哪一种技术：采用基于氢的PEMFC——通过氢与氧的电化学反应来发电，还是DMFC——从甲醇提取氢、从而省略燃料重整器。

燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

2.1SOFC要解决薄膜厚度和电极问题

固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。

2.2PFMFC要解决体积问题
　　基于氢的系统可提供比甲醇更高的能量密度，通过微型制造或尺寸改造技术，是提供比传统锂离子电池大5～10倍的能量密度。所以氢为燃料电池系统将是便携小型移动终端应用的首选电源。但氢气的储存和运输存在较大障碍。氢是易燃物质，一般需要在加压的燃料罐中来供给。对于氢气的存储，眼前尚无针对小型系统的可行技术。它可储存于高压罐内，但会产生安全问题。若吸收到镍金属的氢化物中，由于该金属与氢相比过于笨重。
　　MESOSYSTEMS公司采用的方法是储存高能量密度的燃料，让其在微型反应器中转化为氢气。但这样做的结果是，系统一直未能达到足够小的尺寸、以直接替代手机的电池。2.3DMFC要解决渗透问题
　　DMFC也是小型设备的首选技术，因为它直接使用甲醇，可省略氢的生产与存储，而不必使用燃料处理器或发生器。DMFC以甲醇为燃料，它与氧结合可产生电流。尽管该技术听起来简单，但事实并非如此。它需要处理燃料和空气(氧气)并向燃料电池膜电极输送的一套方法，并且系统部件必须足够小，以适合装入便携设备。
　　目前采用甲醇渗透(CROSS-OVER)问题的技术有：

2.3.1利用已开发针对氢燃料电池的薄膜技术，但是它尚未针对甲醇系统进行优化。甲醇会通过膜进行扩散或泄漏，这降低了系统性能。
　　2.3.2将甲醇稀释到只有5%的浓度来解决这一问题，这样可将甲醇渗透减少到可以接受的水平，但燃料盒中的能量却大大减少了。同时也带来的问题是甲醇被引入燃料电池中时与水的混合稀释，这又带来水的恢复与再循环的问题。
　　2.3.3采用外部输送器的方法来解决甲醇渗透的问题。它按照燃料电池的需要输送甲醇，或采用某种水管理系统。

2.3.4采用燃料电池叠起技术，但又需解决向中间燃料电池提供氧气的问题。
　　2.3.5MEDIS采用直接液体乙醇燃料(DLEF)的方法，以回避甲醇渗透的问题。不使用固体聚合膜，而是采用一种独有的电解液，以降低燃料电池系统的生产成本，并延长服务寿命和工作时间。制成一体的燃料电池采用乙醇的效果比甲醇好。这种电解液系统无需外部系统，由两个电极、燃料及电解液组成。
　　DMFC系统的小型化也是关键，包括部件的尺寸、燃料输送系统。为使燃料电池成为下一代3G电话的适用能源，其必须比一张信用卡面积还小，可输出2～3瓦的功率，并且在成本上可与锂电池相比。人们正努力将这些部件整合到燃料电池系统中，同时又不致过多地增加功耗、尺寸与重量上的开销。