燃料電池動(dòng)力

燃料電池的質(zhì)子交換膜在運(yùn)行過程中需要保持濕潤(rùn)，而豐田開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了無外部加濕器的內(nèi)部自增濕，這一舉措不但簡(jiǎn)化了附件系統(tǒng)，還減小了整個(gè)系統(tǒng)的熱容，有利于冷啟動(dòng)。

在燃料電池單片內(nèi)部，氫氣和空氣的流動(dòng)方向是相反的。由于空氣入口去除了增濕器，空壓機(jī)出口大流量的干空氣容易引起空氣入口膜干。為了解決這一問題，MIRAI 采用更薄的電解質(zhì)膜促進(jìn)了生成的水從空氣出口向氫氣入口反向擴(kuò)散，氫氣再循環(huán)泵強(qiáng)制將氫氣入口的水向氫氣出口傳輸，而氫氣出口富集的水蒸氣將擴(kuò)散到空氣入口，緩解此處容易發(fā)生的膜干現(xiàn)象。同時(shí)，特殊的冷卻流場(chǎng)設(shè)計(jì)有效調(diào)節(jié)了熱的傳遞，增大空氣上游與冷卻水的接觸面積，抑制溫升和水的蒸發(fā)，從而防止空氣入口膜干。

MIRAI 采用的電解質(zhì)膜的厚度比 FCHV-adv 減小了 2/3，不但增強(qiáng)透水性，還將質(zhì)子傳導(dǎo)率提高到 FCHV-adv 的至少 3 倍。此外，由于低濕度條件下容易產(chǎn)生過氧化氫和羥基自由基，為了減輕這些副產(chǎn)物對(duì)電解質(zhì)膜造成的腐蝕，豐田在膜電極及氣體擴(kuò)散層組件中加入了自由基淬滅劑，并降低了來自附件系統(tǒng)的鐵離子污染，從而提高了電解質(zhì)膜的壽命。

在催化劑層中，豐田通過增加官能團(tuán)降低了離聚物的當(dāng)量，同時(shí)優(yōu)化了離聚物的比例，使得質(zhì)子傳導(dǎo)率和氣體擴(kuò)散率均得到了提高。通過鉑/鈷合金的合理配比和酸性處理，催化劑活性提高到了原來的 1.8 倍。催化劑的碳載體從空心類型改進(jìn)為實(shí)心類型，使得所有的催化劑顆粒均附著在碳載體表面，降低了氧氣擴(kuò)散阻力，并將催化劑在低濕度條件下的有效利用率從約 40% 提高到了 80% 左右。這使得 MIRAI 單位功率的鉑用量比 FCHV-adv 減少了 2/3。此外，豐田通過優(yōu)化催化劑顆粒的大小和分布，抑制了在電壓波動(dòng)時(shí)催化劑的流失和偏析，從而阻礙有效反應(yīng)面積的減小。

在擴(kuò)散層中，豐田優(yōu)化了碳紙基材中碳纖維和粘接劑的比例，并采用了更薄的碳紙，碳紙的質(zhì)量降低了 45%，獲得了更高的氣體擴(kuò)散性能。此外，在擴(kuò)散層和催化劑層的界面處形成了一層粗粒度的炭黑作為微孔層，提高了透水性，改善了排水能力。最終氣體擴(kuò)散能力增強(qiáng)了一倍。

燃料電池電堆組件包括燃料電池電堆、附件系統(tǒng)和升壓 DC/DC，將這些部件集成在一起，使得整個(gè)組件更加小型化、輕量化，而且成本更低。

燃料電池（FC）是21世紀(jì)最有希望的新一代綠色能源動(dòng)力系統(tǒng)，有助于解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題。本書側(cè)重于基本原理，簡(jiǎn)單明了地描述了燃料電池是如何工作的、為什么它可以產(chǎn)生如此高效的潛能，以及如何最佳地利用其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)等。本書重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)控制燃料電池工作的科學(xué)原理，對(duì)于燃料電池的初學(xué)者，如高年級(jí)本科生或低年級(jí)研究生，無需具備燃料電池或電化學(xué)知識(shí)背景，只要具有微積分基礎(chǔ)、基礎(chǔ)物理和基本熱力動(dòng)力學(xué)背景均適合閱讀。

燃料電池是一個(gè)電池本體與燃料箱組合而成的動(dòng)力機(jī)制。燃料的選擇性非常高，包括純氫氣（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）、天然氣，甚至于現(xiàn)在運(yùn)用最廣泛的汽油，都可以作為燃料電池的燃料。這是目前其他所有動(dòng)力來源無法做到的。而以燃料電池做為汽車的動(dòng)力，已被公認(rèn)是廿一世紀(jì)必然的趨勢(shì)。

燃料電池則是以具有可燃性的燃料與氧反應(yīng)產(chǎn)生電力；通?？扇夹匀剂先缤咚埂⑵?、甲烷（CH4）、乙醇（酒精）、氫等這些可燃性物質(zhì)都要經(jīng)過燃燒加熱水使水沸騰，而使水蒸氣推動(dòng)渦輪發(fā)電，以這種轉(zhuǎn)換方式大部分的能量通常都轉(zhuǎn)為無用的熱能，

轉(zhuǎn)換效率通常只有約30%相當(dāng)?shù)牡?，而燃料電池是以特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推動(dòng)渦輪等發(fā)電器具，也不需將水加熱至水蒸氣再經(jīng)散熱變回水，所以能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)70%左右，足足比一般發(fā)電方法高出了約40%；優(yōu)點(diǎn)還不只如此，二氧化碳排放量比一般方法低許多，水又是無害的產(chǎn)生物，是一種低污染性的能源。

燃料電池SOFC

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。固體氧化物燃料電池以致密的固體氧化物作電解質(zhì),在高溫800～ 1 000℃下操作,反應(yīng)氣體不直接接觸 ,因此可以使用較高的壓力以縮小反應(yīng)器的體積而沒有燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。

目前正在研制開發(fā)的新一代固體氧化物燃料電池,其特征是基于薄膜化制造技術(shù),是典型的高溫陶瓷膜電化學(xué)反應(yīng)器,我們可稱其為陶瓷膜燃料電池。這種提法不同于燃料電池的一般命名法,更著眼于電解質(zhì)材料和構(gòu)型的設(shè)計(jì)。我國(guó)已成功研制了中溫(500～ 750℃)陶瓷膜燃料電池的關(guān)鍵材料,發(fā)展了多種薄膜化技術(shù)(流延法、絲網(wǎng)印刷法、懸浮粒子法、靜電噴霧法、化學(xué)氣相淀積法等),獲得了厚度5～ 20μm的薄層固體電解質(zhì),比傳統(tǒng)工藝制造的150～ 200μm電解質(zhì)薄板減薄了一個(gè)數(shù)量級(jí),單電池的輸出功率達(dá)到了500～ 600mW /cm 2。燃料氣除氫氣以外,還可以直接以天然氣、生物質(zhì)氣為原料。最近,西門子-西屋公司已經(jīng)完成了以天然氣為燃料,內(nèi)重整的100kW級(jí)管狀電池的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng),試運(yùn)行了4 000h,電池輸出功率達(dá)127kW,電效率為53% 。

隨著對(duì)固體氧化物燃料電池基礎(chǔ)研究的深入,其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了開發(fā)。在發(fā)展大型電站技術(shù)的同時(shí),固體氧化物燃料電池還用于分布式電站和備用電源技術(shù)。固體氧化物燃料電池可作為移動(dòng)式電源,為大型車輛提供輔助動(dòng)力源。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車,由巴伐利亞發(fā)動(dòng)機(jī)公司與德爾福汽車系統(tǒng)公司合作推出,已于2001年2月16日在德國(guó)慕尼黑問世 。固體氧化物燃料電池還可以作為輪船、艦艇用電源以及宇航等特殊用途的發(fā)電系統(tǒng)。另外,利用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)作為碳?xì)錃怏w的重整裝置以制備純氫,再配合質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用也將有著廣闊的發(fā)展前景。 2004年5月,美國(guó)能源部投資240萬美元用于固體氧化物燃料電池再生能源項(xiàng)目開發(fā) 。固體氧化物燃料電池的廣泛應(yīng)用前景使其成為目前發(fā)展的熱點(diǎn)。美國(guó)政府部門在燃料電池方面的研究投資重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向了固體氧化物燃料電池。

燃料電池RFC

氫燃料電池以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。氫和氧反應(yīng)生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,無污染,發(fā)電效益高。60年代,氫燃料電池就已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域?！鞍⒉_”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。 70年代至今,隨著制氫技術(shù)的發(fā)展,氫燃料電池在發(fā)電、電動(dòng)車和微型電池方面的應(yīng)用開發(fā)取得了許多成果。

目前,氫燃料電池的發(fā)電熱效率可達(dá)65%～ 85%,重量能量密度500～ 700Wh/kg,體積能量密度1 000～ 1 200Wh/L,發(fā)電效率高于固體氧化物燃料電池 。氫燃料電池在30～ 90℃下運(yùn)行,啟動(dòng)時(shí)間很短,0～ 20s內(nèi)即可達(dá)到滿負(fù)荷工作,壽命可以達(dá)到10年,無震動(dòng),無廢氣排放,大批量生產(chǎn)成本可降到100～ 200美元/kW 。將氫燃料電池用于電動(dòng)車,與燃油汽車比較,除成本外,各方面性能均優(yōu)于現(xiàn)有的汽車。只要進(jìn)一步降低成本,預(yù)計(jì)不久就會(huì)有實(shí)用的電動(dòng)車問世。

基于以上情況,各國(guó)都在加緊對(duì)氫氣作燃料的燃料電池開發(fā)。德國(guó)已陸續(xù)推出了各種燃?xì)淦?。在冰島政府的支持下,原戴姆勒-克萊斯勒公司和殼牌公司于1999年初公布了把這個(gè)島國(guó)變?yōu)槭澜缟系谝粋€(gè)“氫經(jīng)濟(jì)”的國(guó)家計(jì)劃———最終用無污染的氫能源取代所有小轎車、公共汽車上使用的柴油和汽油 。

我國(guó)在廣東汕頭南澳島建立了電動(dòng)汽車試驗(yàn)區(qū),有近20輛電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車投入試驗(yàn)。從總體水平上看,我國(guó)的氫能和氫燃料電池的研究開發(fā)工作與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比,還有一定差距。

氫燃料電池還未完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的原因主要有兩方面。首先,如何制造氫氣。制氫的方式是多種多樣的,既可通過化學(xué)方法對(duì)化合物進(jìn)行重整、分解、光解或水解等方式獲得,也可通過電解水制氫,或是利用產(chǎn)氫微生物進(jìn)行發(fā)酵或光合作用來制得氫氣。其中,電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式,但這種方法能耗量較大,在現(xiàn)場(chǎng)制氫方面的應(yīng)用受到了一些限制,目前還在進(jìn)一步研究和開發(fā)。生物制氫法采用有機(jī)廢物為原料,通過光合作用或細(xì)菌發(fā)酵進(jìn)行產(chǎn)氫。但目前對(duì)這種方法的產(chǎn)氫機(jī)理了解得尚不深入,在菌種培育、細(xì)菌代謝路徑、細(xì)菌產(chǎn)氫條件等方面的許多問題還有待研究,總的說來還不成熟 。目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式是以煤、石油、天然氣為原料加熱制氫,需要800℃

以上的高溫,轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材料,且不適合小規(guī)模制氫。近來發(fā)展了甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫,這種制氫方式反應(yīng)溫度低(260～ 280℃),工藝條件緩和,能耗約為前者的50% 。甲醇還具有宜于攜帶運(yùn)輸,可以像汽油一樣加注等優(yōu)點(diǎn)。因此,甲醇轉(zhuǎn)化氫氣已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。另外,金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫技術(shù)的研究也對(duì)車載儲(chǔ)氫和制氫提供了途徑 。

燃料電池DMFC

直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池通常稱為直接甲醇燃料電池(DMFC)。膜電極主要由甲醇陽(yáng)極、氧氣陰極和質(zhì)子交換膜(PEM)構(gòu)成。陽(yáng)極和陰極分別由不銹鋼板、塑料薄膜、銅質(zhì)電流收集板、石墨、氣體擴(kuò)散層和多孔結(jié)構(gòu)的催化層組成。其中,氣體擴(kuò)散層起支撐催化層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用,由具有導(dǎo)電功能的碳紙或碳布組成;催化層是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所,常用的陽(yáng)極和陰極電極催化劑分別為PtRu/C和Pt/C。

直接甲醇燃料電池?zé)o須中間轉(zhuǎn)化裝置,因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積能量密度高,還具有起動(dòng)時(shí)間短、負(fù)載響應(yīng)特性佳、運(yùn)行可靠性高,在較大的溫度范圍內(nèi)都能正常工作,燃料補(bǔ)充方便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,主要分為

(1)野外作業(yè)或軍事領(lǐng)域的便攜式移動(dòng)電源;

(2)50～ 1 000kW的固定式發(fā)電設(shè)備;

(3)未來電動(dòng)汽車動(dòng)力源;

(4)移動(dòng)通訊設(shè)備電源。

由于意識(shí)到DMFC是潛在的移動(dòng)式電源并有可能替代部分軍用電池,各國(guó)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)對(duì)此展開了深入研究。 2002年,以色列特拉維夫大學(xué)首先開發(fā)成功了甲醇直接方式的手機(jī)燃料電池 。2003年日本東芝公司宣布開發(fā)出一種可用于手機(jī)和小型信息終端的以高濃甲醇為發(fā)電原料的燃料電池,這種電池的大小像手掌一樣,輸出的電能卻是現(xiàn)在手機(jī)用鋰電池的6倍[2]。德國(guó)SFC燃料電池公司宣稱已開發(fā)出甲醇電池設(shè)備的初期生產(chǎn)樣品,該設(shè)備可創(chuàng)造出40W的電源,未來將被應(yīng)用于筆記本電腦、打印機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品。

近年來,微型DMFC及軍用燃料電池已接近實(shí)用,但陽(yáng)極催化劑活性差,陽(yáng)極催化劑層中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分流通道以及阻止甲醇從陽(yáng)極向陰極穿透等方面還存在很多技術(shù)難題 。針對(duì)這些問題,也提出了一些解決的途徑。在催化劑活性方面,利用貴金屬二元、三元合金催化劑來提高抗CO中毒的能力或?qū)ふ曳琴F金屬催化劑以提高催化劑的活性。對(duì)于部分CH3OH穿過PEM直接與O2反應(yīng)不產(chǎn)生電流的問題,可通過降低CH3OH在PEM中的擴(kuò)散系數(shù)、改進(jìn)或研制新型PEM的方法減少甲醇擴(kuò)散,提高電池效率 。隨著DMFC的燃料轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性的提高和成本的降低,DMFC將會(huì)成為未來理想的燃料電池。