燃料電池的詳細(xì)介紹及在摩托車上的應(yīng)用

縱觀世界，燃料電池汽車即將以其“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)車明星和人們夢寐以求的理想交通工具之一，這是現(xiàn)代汽車發(fā)展的新動(dòng)向和必然趨勢。

一、何為燃料電池

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(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，亦即通過氧與氫結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。它的種類可以多種多樣，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。電極上的催化劑（如白金），常用來加速電化學(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)電效率可以說是史無前例的。

其二，具有良好的環(huán)保效益。近年來，隨著世界汽車的生產(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郑蓪?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)住保澜缛藗儗ζ渚吧類和唇^”，各國都紛紛頒布愈來愈嚴(yán)格的法規(guī)予以控制。因此，解決環(huán)境污染問題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問題，研究開發(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)用到汽車上，完全可以達(dá)到“零排放、零污染”。它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、特種、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的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，市場前景十分廣闊。

其三，據(jù)專家預(yù)測，21世紀(jì)中、下葉世界石油資源將面臨枯竭，以石油產(chǎn)品為燃料的現(xiàn)代汽車即將面臨“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)和醇類等作為燃料。這些燃料的儲存量大，有些還可以再生（如生物質(zhì)、醇類），已經(jīng)成為解決這一世界難題的重要途徑之一。

縱觀全球，目前世界上幾乎所有發(fā)達(dá)國家都在燃料電池的研究和開發(fā)上投入巨資和人力，燃料電池技術(shù)已經(jīng)成為國際高技術(shù)競爭中的熱點(diǎn)和奪取未來市場的殺手锏，越來越受到研究、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。美國將燃料電池技術(shù)列為涉及國家安全的技術(shù)之一，《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車列為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)展成國家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來，國外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過50億日元。美國礦物能源部長助理克·西格爾說：“燃料電池技術(shù)在21世紀(jì)上半葉在技術(shù)上的沖擊影響，會類似于20世紀(jì)上半葉內(nèi)燃機(jī)所起的作用。”可以想象，如果燃料電池真能在汽車上普遍應(yīng)用，那么“污染”將會成為一個(gè)遙遠(yuǎn)的名詞。

三：燃料電池在摩托車的應(yīng)用

開發(fā)燃料電池摩托車，實(shí)際上是對其核心技術(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)及醇類中，用各種途徑生產(chǎn)出來。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法突破技術(shù)瓶頸，其燃料液態(tài)氫的制取、存儲、運(yùn)輸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⑶壹状际亲詈唵蔚囊后w有機(jī)化合物，在市場上有完整的銷售網(wǎng)絡(luò)，貯存安全、攜帶方便。同時(shí)，由于摩托車的功率只須1.5～3kw，將直接甲醇燃料電池用在摩托車上是完全可能的。因此，人們對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：

陽極反應(yīng)：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

陰極反應(yīng)：O2+6H++6e-→3H2O

電池反應(yīng)：CH3OH+O2→CO2+2H2O

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，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拙。

目前，直接甲醇燃料電池技術(shù)已經(jīng)獲得突破。我國在中科院“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，長春應(yīng)化所在國內(nèi)率先開展了“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極催化劑方面的研究工作成效顯著。日前，由長春應(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年代末的國際水平，在國內(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，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6項(xiàng)中國發(fā)明專利，1項(xiàng)美國發(fā)明專利。

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。現(xiàn)在，首批燃料電池摩托車正在雅馬哈公司試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，但是還要經(jīng)過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，在摩托車上安裝壓縮氫油箱非常復(fù)雜和不安全，因此對于摩托車使用的功率不超過1kW的電池系統(tǒng)采用直接甲醇方式更好一些”。該車功率為500w，質(zhì)量為20kg，最高速度為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）摩托車可行駛200km。今后雅馬哈公司打算將摩托車質(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。

綜上所述，從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢頭看，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)保型燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化、商品化必將成為不可阻擋的大趨勢。