燃料電池的發(fā)展及其應(yīng)用
慧聰網(wǎng) 電動(dòng)車(chē)商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車(chē)維修 2004-6-30
| 燃料電池經(jīng)過(guò)165年的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，已從實(shí)驗(yàn)室走向宇航尖端領(lǐng)域，走向民用，逐步形成產(chǎn)業(yè)化、商品化，為新世紀(jì)汽車(chē)業(yè)的大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。燃料電池汽車(chē)將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命，已經(jīng)成為國(guó)際汽車(chē)業(yè)高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的熱點(diǎn)和奪取未來(lái)(Futura)市場(chǎng)(Rialto)的殺手锏，這是現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的新動(dòng)向和必然趨勢(shì)。本文較為詳細(xì)地介紹了燃燒電池的優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展簡(jiǎn)史、發(fā)展前景及其在汽車(chē)上的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：燃料電池 應(yīng)用 縱觀世界(Mondi)，燃料電池汽車(chē)即將以其“清潔、安靜、微笑”的形象駛?cè)?1世紀(jì)，而成為新世紀(jì)的機(jī)動(dòng)車(chē)明星(Stellar)和人們夢(mèng)寐以求的理想交通工具之一，這是現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的新動(dòng)向和必然趨勢(shì)。 自從電動(dòng)汽車(chē)誕生的那天起，鉛酸電池就一直統(tǒng)治了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源的大好江山，但是由于鉛酸蓄電池儲(chǔ)存能量少，報(bào)廢后的酸液和重金屬鉛嚴(yán)重污染環(huán)境，所以開(kāi)發(fā)清潔無(wú)污染、高效率、長(zhǎng)壽命的新能源已經(jīng)成為世界(Mondi)汽車(chē)業(yè)的重要責(zé)任，燃料電池就是最被看好的一種新型鉛酸電池替代品。 一、何為燃料電池 燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，亦即通過(guò)氧與氫結(jié)合成水的簡(jiǎn)單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。它的種類(lèi)可以多種多樣，但都基于一個(gè)基本的設(shè)計(jì)，即它們都含有二個(gè)電極，一個(gè)負(fù)陽(yáng)極和一個(gè)正陰極。這二個(gè)電極被一個(gè)位于它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開(kāi)。電極上的催化劑（如白金），常用來(lái)加速電化學(xué)反應(yīng)。只要向燃料電池不斷供給燃料，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。單個(gè)燃料電池塊的電壓小于1V，因而要將多個(gè)燃料電池組合在一起，制成電池堆，并根據(jù)電壓和電流的需要將電池堆進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以產(chǎn)生足夠的電力�！� 二、燃料電池的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景 燃料的電池具有傳統(tǒng)鉛酸電池?zé)o可比擬的獨(dú)特優(yōu)越性，高效率、無(wú)污染、低噪聲、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低是其誘人特點(diǎn)。 首先是它的高效率。從理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱。實(shí)際上，直接甲醇燃料電池的發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到40%，磷酸燃料的電池的發(fā)電效率接近46%；熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)電效率也超過(guò)60%；固體氧化物燃料電池與汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合使用，其效率更高，能達(dá)到70%。如此高的發(fā)電效率可以說(shuō)是史無(wú)前例的。 其二，具有良好的環(huán)保效益。近年來(lái)，隨著世界(Mondi)汽車(chē)的生產(chǎn)量和保有量的急劇增加，其排放污染物占大氣污染物的50%以上，其中CO、HC、NOX和揮發(fā)性有機(jī)物是影響空氣質(zhì)量的主要?dú)⑹�，可�?dǎo)致臭氧層破壞，是溫室效應(yīng)的最主要根源，已經(jīng)成為危害人體健康的“罪魁禍?zhǔn)住�，全世�?Mondi)人們對(duì)其均“深?lèi)和唇^”，各國(guó)都紛紛頒布愈來(lái)愈嚴(yán)格的法規(guī)予以控制。因此，解決環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)清潔能源，而燃料電池正好符合這一環(huán)保需求。燃料電池中的氫氣是唯一直接應(yīng)用的燃料，它和氧氣在鉑催化劑的觸發(fā)下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)的副產(chǎn)物是水，幾乎不產(chǎn)生其它有害物質(zhì)，將其應(yīng)用到汽車(chē)上，完全可以達(dá)到“零排放、零污染”。它不僅是汽車(chē)最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、潛艇、水下機(jī)器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動(dòng)、分散電源和接近終端用戶(hù)的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，市場(chǎng)(Rialto)前景十分廣闊。 其三，據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)中、下葉世界(Mondi)石油資源將面臨枯竭，以石油產(chǎn)品為燃料的現(xiàn)代汽車(chē)即將面臨“饑餓”和“死亡”的威脅。而燃料電池可以用天然氣、石油液化氣、煤氣、煤、生物質(zhì)和醇類(lèi)等作為燃料。這些燃料的儲(chǔ)存量大，有些還可以再生（如生物質(zhì)、醇類(lèi)），已經(jīng)成為解決這一世界(Mondi)難題的重要途徑之一。 縱觀全球，目前世界(Mondi)上幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都在燃料電池的研究和開(kāi)發(fā)上投入巨資和人力，燃料電池技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的熱點(diǎn)和奪取未來(lái)(Futura)市場(chǎng)(Rialto)的殺手锏，越來(lái)越受到研究、產(chǎn)業(yè)界的高度重視，將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。美國(guó)將燃料電池技術(shù)列為涉及國(guó)家安全的技術(shù)之一，《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車(chē)列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；日本政府認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計(jì)劃將燃料電池發(fā)展成國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來(lái)，國(guó)外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過(guò)100億美元。為開(kāi)發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒(佳士拿)公司一家近年來(lái)每年就投入10億美元，豐田(TOYOTA)公司的年投資額超過(guò)50億日元。美國(guó)礦物能源部長(zhǎng)助理克·西格爾說(shuō)：“燃料電池技術(shù)在21世紀(jì)上半葉在技術(shù)上的沖擊(Impuise)影響，會(huì)類(lèi)似于20世紀(jì)上半葉內(nèi)燃機(jī)所起的作用�！笨梢韵胂螅绻剂想姵卣婺茉谄�(chē)上普遍應(yīng)用，那么“污染”將會(huì)成為一個(gè)遙遠(yuǎn)的名詞。 三、燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史 燃料電池的歷史可以追溯到19世紀(jì)英國(guó)法官和科學(xué)家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所進(jìn)行的電解作用實(shí)驗(yàn)- - 使用電將水分解成氫和氧- - 是人們后來(lái)稱(chēng)之為燃料電池的第一個(gè)裝置。后來(lái)，人們很快發(fā)現(xiàn)，如果要將這一技術(shù)商業(yè)化，必須克服大量的科學(xué)技術(shù)障礙。因此，人們對(duì)Grove 發(fā)明的早先興趣便開(kāi)始淡漠了。直到19世紀(jì)末，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模使用礦物燃料使得燃料電池被論為僅僅是一次科學(xué)上的奇特事例�！� 燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史可以論為起始于20世紀(jì)60年代初期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)政府的新機(jī)構(gòu)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）正尋找為其即將進(jìn)行的一系列無(wú)人航天飛行提供動(dòng)力的方法。由于使用干電池太重，太陽(yáng)(solara)能價(jià)格昂貴，而核能又太危險(xiǎn)，燃料電池正好吸引了他們的視線(xiàn)，在空間領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的成功，特別是在1968年，美國(guó)宇航局完成了阿波羅載人登月計(jì)劃后，對(duì)燃料電池的研究便熱了起來(lái)，研究項(xiàng)目也逐年增多。 20世紀(jì)80年代，燃料電池就開(kāi)始從空間應(yīng)用轉(zhuǎn)入民用，除了60年代已在空間應(yīng)用方面達(dá)到最高水平的堿性燃料電池（AFC）之外，還有燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等新型燃料電池相繼問(wèn)世。它們被成功地用于發(fā)電站和與內(nèi)燃發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)共同發(fā)電的民用領(lǐng)域，其功率達(dá)到兆瓦極，運(yùn)行效率高達(dá)70%以上。90年代燃料電池最大的突破是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的發(fā)展，因?yàn)閺男阅�、效率、重量、成本等多方面綜合考察發(fā)現(xiàn)，PEMFC最適合燃料電動(dòng)車(chē)技術(shù)。 燃料電池經(jīng)過(guò)165年的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，已從實(shí)驗(yàn)室走向宇航尖端領(lǐng)域，走向民用，逐步形成產(chǎn)業(yè)化、商品化，為新世紀(jì)汽車(chē)業(yè)的大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 四、燃料電池在汽車(chē)摩托車(chē)上的應(yīng)用 我國(guó)燃料電池研究始于1958年，70年代在航天事業(yè)推動(dòng)下，燃料電池研究呈現(xiàn)第一次高潮。“九五”期間，科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入“科技攻關(guān)”重大發(fā)展項(xiàng)目，目標(biāo)是利用我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，從高起點(diǎn)做起，加強(qiáng)創(chuàng)新。在"九五"期間，使我國(guó)燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國(guó)際水平。內(nèi)容包括"質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)"、"熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)"及"固體氧化物燃料電池技術(shù)"三大項(xiàng)目， 其中用于電動(dòng)汽車(chē)的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池"列為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。此項(xiàng)任務(wù)由中國(guó)科學(xué)院及部門(mén)所屬若干研究所承擔(dān)，所定目標(biāo)業(yè)已全部實(shí)現(xiàn)�！笆濉逼陂g，在“科技攻關(guān)”、“863”、“973”等國(guó)家計(jì)劃中都安排了有關(guān)燃料電池技術(shù)的計(jì)劃和項(xiàng)目。 在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國(guó)研究開(kāi)發(fā)的這類(lèi)電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車(chē)的技術(shù)水平，可以與世界(Mondi)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)，而且在市場(chǎng)(Rialto)份額上，可以并且有能力占有一定比例。我國(guó)自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目以后，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在全國(guó)范圍內(nèi)全面開(kāi)展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進(jìn)展，相繼組裝了多臺(tái)百瓦、1kW～2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車(chē)已研制成功，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出200w電動(dòng)自行車(chē)用燃料電池系統(tǒng)。由6臺(tái)5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國(guó)首臺(tái)燃料電池輕型客車(chē)動(dòng)力源。裝車(chē)電池最大輸出功率達(dá)46kw。目前該車(chē)最高時(shí)速達(dá)60.6km/h，為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。該電池堆整體性能相當(dāng)于奔馳(mercedes-benz)、福特(Ford)與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車(chē)的水平�！笆濉逼陂g，國(guó)家科技部把燃料電池電動(dòng)汽車(chē)列為國(guó)家“863”計(jì)劃，我國(guó)目前正在進(jìn)行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開(kāi)發(fā)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成的研究。據(jù)報(bào)導(dǎo)中美合作的“中國(guó)燃料電池公共汽車(chē)商業(yè)化示范項(xiàng)目”已經(jīng)實(shí)施，北京市和上海市分別選擇一條公共汽車(chē)路線(xiàn)進(jìn)行示范試驗(yàn)。這個(gè)項(xiàng)目不僅包括燃料電池汽車(chē)本身，也將對(duì)燃料電池商業(yè)化過(guò)程中各種基礎(chǔ)設(shè)施、能力建設(shè)、培訓(xùn)等進(jìn)行全方位的試驗(yàn)示范，這將大大推動(dòng)我國(guó)燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化發(fā)展的進(jìn)展，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)10年后我國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)有望形成。 1、燃料電池（PEMFC）在汽車(chē)上的應(yīng)用 燃料電池最早應(yīng)用于汽車(chē)上是在20世紀(jì)50年代General Electric公司發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池。目前這種燃料電池是汽車(chē)公司最喜歡使用的一類(lèi)燃料電池，用來(lái)取代原來(lái)使用的內(nèi)燃機(jī)。質(zhì)子交換膜燃料電池有時(shí)也叫聚合物電解質(zhì)膜，或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。 質(zhì)子交換膜燃料電池 在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly [perfluoro sulphonic]acid），和質(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達(dá)陽(yáng)極，裂解成氫離子（質(zhì)子）和電子。氫離子通過(guò)電解質(zhì)滲透到陰極，而電子通過(guò)外部網(wǎng)路流動(dòng)，提供電力。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰極，與電子和氫離子結(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下： 陽(yáng)極：2H2 → 4H+ + 4e- 陰極：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O 整體：2H2 + O2 → 2 H2O + 能量 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個(gè)電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。 這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱(chēng)做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個(gè)場(chǎng)流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個(gè)板上都有溝槽，將燃料引導(dǎo)到電極上，也能通過(guò)膜電極裝配導(dǎo)電。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車(chē)則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來(lái)便可形成人們稱(chēng)做的燃料電池存儲(chǔ)器。 質(zhì)子交換膜燃料電池?fù)碛性S多特點(diǎn)，因此成為汽車(chē)的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴(yán)寒條件下迅速啟動(dòng)。其電力密度較高，因此其體積相對(duì)較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40～50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。當(dāng)一輛汽車(chē)使用以甲醇或天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內(nèi)燃機(jī)時(shí)，其二氧化碳的排放量可以減少高達(dá)72%，與內(nèi)燃機(jī)的效率25%左右相比，它們的效率可高達(dá)60%。以甲醇為燃料的燃料電池，其燃料利用率是用汽油內(nèi)燃機(jī)車(chē)的1.76倍。唯一的潛在問(wèn)題是燃料的質(zhì)量，為了避免在如此低溫催化劑受到污染，質(zhì)子交換膜燃料電池必須使用沒(méi)污染的氫燃料。 當(dāng)前，世界(Mondi)各地都在立法強(qiáng)迫汽車(chē)制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車(chē)輛，質(zhì)子交換膜燃料電池為這種要求帶來(lái)實(shí)質(zhì)性機(jī)遇�，F(xiàn)在，大多數(shù)汽車(chē)生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機(jī)的后繼者。在這一進(jìn)程中，運(yùn)用不同車(chē)輛和使用不同地區(qū)的試驗(yàn)進(jìn)展順利，用質(zhì)子交換膜燃料電池為公共汽車(chē)提供動(dòng)力的試驗(yàn)已在溫哥華和芝加哥取得成功。德國(guó)的城市也進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)，還有另外十個(gè)歐洲城市也將在公共汽車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)，倫敦和加利福尼亞也將計(jì)劃在小型車(chē)輛上進(jìn)行試驗(yàn)。目前，能產(chǎn)生50 kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產(chǎn)生高達(dá)250 kW的裝置也正在開(kāi)發(fā)。 2、燃料電池在摩托車(chē)的應(yīng)用 開(kāi)發(fā)燃料電池摩托車(chē)，實(shí)際上是對(duì)其核心技術(shù)——燃料電池的研發(fā)。氫氣是唯一在燃料電池中直接應(yīng)用的燃料，但是自然界中并沒(méi)有氫氣資源，只能從其它能源如天然氣、液化石油氣、汽油、柴油、煤、生物質(zhì)及醇類(lèi)中，用各種途徑生產(chǎn)出來(lái)。但也不是所有途徑都可行，其成本也不低。尤為重要的是至今還無(wú)法突破技術(shù)瓶頸，其燃料液態(tài)氫的制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸(Tran Sport)和添加是天大的難題。因此，尋求能夠替代氫氣直接用于燃料電池的其它燃料，從而降低燃料電池系統(tǒng)的體積和造價(jià)，是燃料電池摩托車(chē)研究的重點(diǎn)。試驗(yàn)證實(shí)，甲醇是目前較為理想的替代燃料。因?yàn)椋状既剂现簧啥趸己退�，并且甲醇是最�?jiǎn)單的液體有機(jī)化合物，在市場(chǎng)(Rialto)上有完整的銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)，貯存安全、攜帶方便。同時(shí)，由于摩托車(chē)的功率只須1.5～3kw，將直接甲醇燃料電池用在摩托車(chē)上是完全可能的。因此，人們對(duì)直接甲醇燃料電池非常感興趣。 直接甲醇燃料電池不需甲醇重整而直接作為燃料。甲醇在陽(yáng)極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。在電極上的這些反應(yīng)如下： 陽(yáng)極反應(yīng)：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- 陰極反應(yīng)：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O 電池反應(yīng)：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O 這種電池的期望工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過(guò)，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進(jìn)行重整便能工作而相形見(jiàn)拙。 目前，直接甲醇燃料電池技術(shù)已經(jīng)獲得突破。我國(guó)在中科院"九五"重大應(yīng)用發(fā)展項(xiàng)目和吉林省應(yīng)用發(fā)展項(xiàng)目的支持下，長(zhǎng)春應(yīng)化所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了"直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料及其制備技術(shù)"項(xiàng)目的研究工作。2000年該項(xiàng)目在直接甲醇燃料電池陽(yáng)極催化劑方面的研究工作成效顯著。日前，由長(zhǎng)春應(yīng)化所、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京師范大學(xué)共同組成的國(guó)家“863"直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料及其制備技術(shù)項(xiàng)目組，在關(guān)鍵材料新型質(zhì)子交換膜，陽(yáng)極及陰極催化劑、電極/膜集合體、雙極板等多方面研究取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上，成功地組裝成20W級(jí)的組合電池- - 10個(gè)單電池組合的電池堆。其單體電池性能為：在80℃～90℃下400mV時(shí)電流密度可達(dá)150mA/cm2～200mA/cm2；在中溫時(shí)400mV下電流密度可達(dá)100mA/cm2～150mA/cm2，達(dá)到20世紀(jì)90年代末的國(guó)際水平，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。他們改進(jìn)了直接甲醇燃料電池的關(guān)鍵材料- - 新型質(zhì)子交換膜和催化劑，電池結(jié)構(gòu)采用電路串聯(lián)、物流并聯(lián)的方式，催化劑中白金的含量進(jìn)一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，電池壽命明顯延長(zhǎng)，最佳工作狀態(tài)時(shí)電池堆發(fā)電電壓2.0V，電流為10A，可以不間斷地驅(qū)動(dòng)許多電器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，該成果已申請(qǐng)6項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。 更令人欣慰的是一種具有原始創(chuàng)新性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，直接把燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成電能的直接甲醇燃料電池，也已在山東理工大學(xué)山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心研發(fā)成功。 這種新型燃料電池，是應(yīng)用山東理工大學(xué)清潔能源工程技術(shù)研究中心提出的模擬生物酶燃料電池催化劑的思路，采用廉價(jià)、性能高的模擬生物酶代替當(dāng)今燃料電池中使用的價(jià)格高、資源受限的鉑催化劑制成的。經(jīng)過(guò)近4年的實(shí)驗(yàn)，終于取得實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)發(fā)電成功。其工作原理為直接將甲醇和水混合物送至DMFC陽(yáng)極，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)生成CO2,并釋放出電子和質(zhì)子，電子從陽(yáng)極經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至陰極形成直流電。其工作溫度從室溫到135℃。甲醇用完后，只要補(bǔ)充甲醇水溶液就可以。 據(jù)山東理工大學(xué)校長(zhǎng)姚福生院士介紹，直接甲醇燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)連續(xù)反應(yīng)裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可靠性強(qiáng)，質(zhì)能比高，清潔，易啟動(dòng)，無(wú)噪音，低輻射，隱蔽性強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)，靈活方便，可水、電、熱聯(lián)供等優(yōu)點(diǎn)。 2004年初，日本雅馬哈公司宣布成功試制出了配備直接甲醇式燃料電池（DMFC）的摩托車(chē)。現(xiàn)在，首批燃料電池摩托車(chē)正在雅馬哈公司試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，但是還要經(jīng)過(guò)1年才能批量生產(chǎn)。關(guān)于燃料為何選擇了甲醇而不是汽車(chē)制造商所用的氫，該公司表示：“由于氫燃料電池系統(tǒng)的重量和體積均較大，在摩托車(chē)上安裝壓縮氫油箱非常復(fù)雜和不安全，因此對(duì)于摩托車(chē)使用的功率不超過(guò)1kW的電池系統(tǒng)采用直接甲醇方式更好一些”。該車(chē)功率為500w，質(zhì)量為20kg，最高速(High Speed)度為40km/h。燃料箱貯存濃度為50%的甲醇水溶液，在實(shí)際發(fā)電時(shí)，利用燃料電池發(fā)電反應(yīng)所產(chǎn)生的水，把甲醇水溶液稀釋到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可裝5L甲醇）摩托車(chē)可行駛200km。今后雅馬哈公司打算將摩托車(chē)質(zhì)量減少到10kg，并給燃料電池附加一個(gè)鋰離子蓄電池以改善啟動(dòng)和加速性能。 據(jù)報(bào)導(dǎo)由NASA/嘉德克噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）與南加利福尼亞州大學(xué)（USC）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的直接甲醇燃料電池（DMFC）已獲得22個(gè)專(zhuān)利和40多個(gè)正在申請(qǐng)中的美國(guó)和外國(guó)專(zhuān)利，這些專(zhuān)利包括了使用溶解于水中的甲醇為燃料的原始和基礎(chǔ)的專(zhuān)利，并已通過(guò)設(shè)在美國(guó)加利福尼亞州Pasadena的直接甲醇燃料電池公司（DMFCC）實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 2002年，美國(guó)曼哈頓科技公司宣布，該公司與歐洲第二大摩托車(chē)廠(chǎng)商——意大利阿普利亞（APRILIA）公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了使用燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)摩托車(chē)，并在巴黎車(chē)展上展出。此次開(kāi)發(fā)的電動(dòng)摩托車(chē)名為"MOJITOFC"，配備有曼哈頓科技公司生產(chǎn)的輸出功率為3kw的燃料電池。使用的燃料為純氧，批量生產(chǎn)時(shí)的連續(xù)行駛距離為193km、最高速(High Speed)度可達(dá)56.3km/h。早在2001年，這兩家公司就共同開(kāi)發(fā)了燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車(chē)，這款車(chē)使用ENJOY質(zhì)子交換膜燃料電池，輸出功率為 600w，使用的燃料為氫氣，氫氣存放于一個(gè)重0.78kg、壓力為30Mpa的高壓碳纖維燃料罐中，續(xù)航能力為75km（25km/h），全車(chē)重量24kg。此次推出的是第二款，配備的燃料電池由曼哈頓科學(xué)公司的德國(guó)相關(guān)公司NOV-ARS開(kāi)發(fā)，具有小而輕的特點(diǎn)。包括電子裝置、閥門(mén)、風(fēng)扇等在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)總重量為6kg，燃料電池本身重4.3kg。 2001年美國(guó)曼哈頓科技公司與意大利阿普利亞公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的燃燒電池自行車(chē) 德國(guó)AQWON汽車(chē)公司在“2003年漢諾威工業(yè)展”上展示了使用氫氣作為燃料的輕便摩托車(chē)。最高時(shí)速為45km/h。在車(chē)輛下部配備了氫氣燃料罐。內(nèi)部為吸收氫氣的金屬合金構(gòu)成。在6個(gè)大氣壓及20℃下可以貯藏2600L氫氣。燃料充滿(mǎn)時(shí)可以行駛100km。 2002年底，國(guó)內(nèi)第一輛燃料電池自行車(chē)由上海綠亮電動(dòng)自行車(chē)有限公司和美國(guó)POWERZINC公司博信電池上海有限公司合作開(kāi)發(fā)成功。據(jù)介紹，這輛燃料電動(dòng)自行車(chē)裝備的是鋅空氣燃料電池。所謂鋅空氣燃料電池，就是通過(guò)鋅離子與空氣反應(yīng)，把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。該車(chē)的比能量可達(dá)200w·h/kg，在同樣電壓條件下連續(xù)行駛里程超過(guò)200km，相當(dāng)于鉛酸電池的4～5倍。 綜上所述，從世界(Mondi)燃料電池迅猛發(fā)展的勢(shì)頭看，本世紀(jì)頭十年將是燃料電池技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。高效率、環(huán)保型燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化、商品化必將成為不可阻擋的大趨勢(shì)。 |
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