燃料电池的详细介绍及在摩托车上的应用

一、何为燃料电池

燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，亦即通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。它的种类可以多种多样，但都基于一个基本的设计，即它们都含有二个电极，一个负阳极和一个正阴极。这二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。电极上的催化剂（如白金），常用来加速电化学反应。只要向燃料电池不断供给燃料，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。单个燃料电池块的电压小于1V，因而要将多个燃料电池组合在一起，制成电池堆，并根据电压和电流的需要将电池堆进行串联或并联，以产生足够的电力。　

二、燃料电池的独特优点及发展前景

燃料的电池具有传统铅酸电池无可比拟的独特优越性，高效率、无污染、低噪声、建设周期短、易维护以及成本低是其诱人特点。　　

首先是它的高效率。从理论上讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用的电和热。实际上，直接甲醇燃料电池的发电效率已经达到40%，磷酸燃料的电池的发电效率接近46%；熔融碳酸盐燃料电池的发电效率也超过60%；固体氧化物燃料电池与汽轮发电机联合使用，其效率更高，能达到70%。如此高的发电效率可以说是史无前例的。

其二，具有良好的环保效益。近年来，随着世界汽车的生产量和保有量的急剧增加，其排放污染物占大气污染物的50%以上，其中CO、HC、NOX和挥发性有机物是影响空气质量的主要杀手，可导致臭氧层破坏，是温室效应的最主要根源，已经成为危害人体健康的“罪魁祸首”，全世界人们对其均“深恶痛绝”，各国都纷纷颁布愈来愈严格的法规予以控制。因此，解决环境污染问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源，而燃料电池正好符合这一环保需求。燃料电池中的氢气是唯一直接应用的燃料，它和氧气在铂催化剂的触发下发生电化学反应，其反应的副产物是水，几乎不产生其它有害物质，将其应用到汽车上，完全可以达到“零排放、零污染”。它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题，市场前景十分广阔。　　

其三，据专家预测，21世纪中、下叶世界石油资源将面临枯竭，以石油产品为燃料的现代汽车即将面临“饥饿”和“死亡”的威胁。而燃料电池可以用天然气、石油液化气、煤气、煤、生物质和醇类等作为燃料。这些燃料的储存量大，有些还可以再生（如生物质、醇类），已经成为解决这一世界难题的重要途径之一。　　

纵观全球，目前世界上几乎所有发达国家都在燃料电池的研究和开发上投入巨资和人力，燃料电池技术已经成为国际高技术竞争中的热点和夺取未来市场的杀手锏，越来越受到研究、产业界的高度重视，将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元。美国矿物能源部长助理克·西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”可以想象，如果燃料电池真能在汽车上普遍应用，那么“污染”将会成为一个遥远的名词。

三：燃料电池在摩托车的应用　　

开发燃料电池摩托车，实际上是对其核心技术——燃料电池的研发。氢气是唯一在燃料电池中直接应用的燃料，但是自然界中并没有氢气资源，只能从其它能源如天然气、液化石油气、汽油、柴油、煤、生物质及醇类中，用各种途径生产出来。但也不是所有途径都可行，其成本也不低。尤为重要的是至今还无法突破技术瓶颈，其燃料液态氢的制取、存储、运输和添加是天大的难题。因此，寻求能够替代氢气直接用于燃料电池的其它燃料，从而降低燃料电池系统的体积和造价，是燃料电池摩托车研究的重点。试验证实，甲醇是目前较为理想的替代燃料。因为，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最简单的液体有机化合物，在市场上有完整的销售网络，贮存安全、携带方便。同时，由于摩托车的功率只须1.5～3kw，将直接甲醇燃料电池用在摩托车上是完全可能的。因此，人们对直接甲醇燃料电池非常感兴趣。　　
直接甲醇燃料电池不需甲醇重整而直接作为燃料。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。在电极上的这些反应如下：　

阳极反应：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
　　阴极反应：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O
　　电池反应：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O　　

这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见拙。　　

目前，直接甲醇燃料电池技术已经获得突破。我国在中科院“九五”重大应用发展项目和吉林省应用发展项目的支持下，长春应化所在国内率先开展了“直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术”项目的研究工作。2000年该项目在直接甲醇燃料电池阳极催化剂方面的研究工作成效显著。日前，由长春应化所、北京科技大学、清华大学、北京工业大学、南京师范大学共同组成的国家“863”直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术项目组，在关键材料新型质子交换膜，阳极及阴极催化剂、电极/膜集合体、双极板等多方面研究取得进展的基础上，成功地组装成20W级的组合电池——10个单电池组合的电池堆。其单体电池性能为：在80℃～90℃下400mV时电流密度可达150mA/cm2～200mA/cm2；在中温时400mV下电流密度可达100mA/cm2～150mA/cm2，达到20世纪90年代末的国际水平，在国内处于领先地位。他们改进了直接甲醇燃料电池的关键材料——新型质子交换膜和催化剂，电池结构采用电路串联、物流并联的方式，催化剂中白金的含量进一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，电池寿命明显延长，最佳工作状态时电池堆发电电压2.0V，电流为10A，可以不间断地驱动许多电器设备运转。目前，该成果已申请6项中国发明专利，1项美国发明专利。

2004年初，日本雅马哈公司宣布成功试制出了配备直接甲醇式燃料电池（DMFC）的摩托车。现在，首批燃料电池摩托车正在雅马哈公司试验场进行试验，但是还要经过1年才能批量生产。关于燃料为何选择了甲醇而不是汽车制造商所用的氢，该公司表示：“由于氢燃料电池系统的重量和体积均较大，在摩托车上安装压缩氢油箱非常复杂和不安全，因此对于摩托车使用的功率不超过1kW的电池系统采用直接甲醇方式更好一些”。该车功率为500w，质量为20kg，最高速度为40km/h。燃料箱贮存浓度为50%的甲醇水溶液，在实际发电时，利用燃料电池发电反应所产生的水，把甲醇水溶液稀释到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可装5L甲醇）摩托车可行驶200km。今后雅马哈公司打算将摩托车质量减少到10kg，并给燃料电池附加一个锂离子蓄电池以改善启动和加速性能。

综上所述，从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。高效率、环保型燃料电池汽车的产业化、商品化必将成为不可阻挡的大趋势。