燃料電池的詳細介紹及在摩托車上的應用

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，而成為新世紀的機動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)過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變?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反應而發(fā)電。它的種類可以多種多樣，但都基于一個基本的設計，即它們都含有二個電極，一個負陽極和一個正陰極。這二個電極被一個位于它們之間的、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），常用來加速電化學反應。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)生電化學反應，并產(chǎn)生電流。單個燃料電池塊的電壓小于1V，因而要將多個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行串聯(lián)或并聯(lián)，以產(chǎn)生足夠的電力。

二、燃料電池的獨特優(yōu)點及發(fā)展前景

燃料的電池具有傳統(tǒng)鉛酸電池無可比擬的獨特優(yōu)越性，高效率、無污染、低噪聲、建設周期短、易維護以及成本低是其誘人特點。

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。實際上，直接甲醇燃料電池的發(fā)電效率已經(jīng)達到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)電機聯(lián)合使用，其效率更高，能達到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)性有機物是影響空氣質(zhì)量的主要殺手，可導致臭氧層破壞，是溫室效應的最主要根源，已經(jīng)成為危害人體健康的“罪魁禍首”，全世界人們對其均“深惡痛絕”，各國都紛紛頒布愈來愈嚴格的法規(guī)予以控制。因此，解決環(huán)境污染問題的關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用的燃料，它和氧氣在鉑催化劑的觸發(fā)下發(fā)生電化學反應，其反應的副產(chǎn)物是水，幾乎不產(chǎn)生其它有害物質(zhì)，將其應用到汽車上，完全可以達到“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、特種、水下機器人、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、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)專家預測，21世紀中、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，燃料電池技術已經(jīng)成為國際高技術競爭中的熱點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世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。美國將燃料電池技術列為涉及國家安全的技術之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首；日本政府認為燃料電池技術是21世紀能源環(huán)境領域的核心；加拿大計劃將燃料電池發(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：“燃料電池技術在21世紀上半葉在技術上的沖擊影響，會類似于20世紀上半葉內(nèi)燃機所起的作用。”可以想象，如果燃料電池真能在汽車上普遍應用，那么“污染”將會成為一個遙遠的名詞。

三：燃料電池在摩托車的應用

開發(fā)燃料電池摩托車，實際上是對其核心技術——燃料電池的研發(fā)。氫氣是唯一在燃料電池中直接應用的燃料，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瓶頸，其燃料液態(tài)氫的制取、存儲、運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，是燃料電池摩托車研究的重點。試驗證實，甲醇是目前較為理想的替代燃料。因為，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最簡單的液體有機化合物，在市場上有完整的銷售網(wǎng)絡，貯存安全、攜帶方便。同時，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，如同標準的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應。在電極上的這些反應如下：

陽極反應：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-

陰極反應：O2+6H++6e-→3H2O

電池反應：CH3OH+O2→CO2+2H2O

這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時要比常規(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行重整便能工作而相形見拙。

目前，直接甲醇燃料電池技術已經(jīng)獲得突破。我國在中科院“九五”重大應用發(fā)展項目和吉林省應用發(fā)展項目的支持下，長春應化所在國內(nèi)率先開展了“直接甲醇燃料電池關鍵材料及其制備技術”項目的研究工作。2000年該項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，由長春應化所、北京科技大學、清華大學、北京工業(yè)大學、南京師范大學共同組成的國家“863”直接甲醇燃料電池關鍵材料及其制備技術項目組，在關鍵材料新型質(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展的基礎上，成功地組裝成20W級的組合電池——10個單電池組合的電池堆。其單體電池性能為：在80℃～90℃下400mV時電流密度可達150mA/cm2～200mA/cm2；在中溫時400mV下電流密度可達100mA/cm2～150mA/cm2，達到20世紀90年代末的國際水平，在國內(nèi)處于領先地位。他們改進了直接甲醇燃料電池的關鍵材料——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)時電池堆發(fā)電電壓2.0V，電流為10A，可以不間斷地驅(qū)動許多電器設備運轉(zhuǎn)。目前，該成果已申請6項中國發(fā)明專利，1項美國發(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場進行試驗，但是還要經(jīng)過1年才能批量生產(chǎn)。關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，在實際發(fā)電時，利用燃料電池發(fā)電反應所產(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鋰離子蓄電池以改善啟動和加速性能。

綜上所述，從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢頭看，本世紀頭十年將是燃料電池技術商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術實用性、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。