陆虎瑜
中国科学院电工研究所，北京 100080
1 引 言
燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型，按使用的电解质不同分类，主要有磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池及碱性燃料电池等。80年代以来，随着世界化石燃料储藏量的不断减少，地球生态环境的日益恶化，一些国家更加重视对清洁能源的研究。其中，美国、日本、德国及加拿大等国加大了燃料电池实用化技术的开发力度，并取得了明显效果。1991年在日本东京电力公司五井火力发电厂内，建成了世界上功率最大的12MW燃料电池发电站，从而使磷酸型燃料电池率先进入了实用化阶段。目前，百千瓦级的磷酸型燃料电池已有小批量商品出售。90年代初，另一种很有竞争力的燃料电池——质子交换膜燃料电池，在实用化方面也取得了突破性进展，并成为当今国际上燃料电池开发的热点。
2 质子交换膜燃料电池系统的开发
2.1 质子交换膜燃料电池发电机理与特点
质子交换膜燃料电池(以下简称：PEMFC)由若干单电池串联而成。单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极、多孔阴极和置于二者之间的固体聚合物电解质构成，其工作原理如图1所示。当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子。氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极；氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子［1］。因此，PEMFC的电化学反应为：
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O
电池总反应：H2+1/2O2→H2O+电力
由总反应式可以看出，PEMFC在发电的同时还产生了纯水。
图1 质子交换膜燃料电池工作原理
PEMFC所以成为当前国际上燃料电池研制、开发的热点，是基于它有着以下几个突出的优点：
(1)工艺结构简单，开发投入相对较少；(2)可在室温下快速起动投入运行；(3)不使用腐蚀性电解液，安全可靠；(4)依负载要求，系统规模可大可小；(5)比功率高，特别适用于军用或民用的可移动电源及电动车辆。
2.2 质子交换膜燃料电池系统开发内容
欲使PEMFC依负荷的变化，长时间稳定的向负载提供电能，必须给电池组配置以下4个功能单元，即燃料及氧化剂贮存与供给单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等。这样，方能构成一个实用化的、完整的PEMFC发电系统，如图2所示。
图2 质子交换膜燃料电池发电系统示意图
研制PEMFC发电系统所面临的主要课题有以下几个方面：
(1)氢的安全贮存、供给及富氢燃料的转化
为确保PEMFC发电系统实现连续稳定的运行，首要解决的问题是氢燃料安全贮存与稳定供给。对于小功率的PEMFC移动电源及便携电源，采用金属氢化物贮存氢气是一种较为理想而可行的方法［2］。金属贮氢器贮氢后的容器压力只有0.2—0.6MPa，运行中安全可靠。目前，金属贮氢器在实用化过程中仍需要解决两个问题：一是由于金属氢化物贮氢密度不够高，导致金属贮氢器体积较大，重量较重，从而限制了金属贮氢法在大功率PEMFC发电系统中的应用。二是金属氢化物放氢时属吸热反应，为保证在一定的速率下将贮存的氢气全部释放出来，必须不断向贮氢器提供所需的热能。因此，充分利用系统余热，并改善金属贮氢器的热交换条件，是PEMFC系统开发中的又一重要课题。对于大功率PEMFC发电系统，宜采用对富氢燃料进行现场改质、转换的方法制取氢气。其中，甲醇重整制氢就是一项很有前途的技术。目前，在国外该项技术已趋于成熟，甲醇重整制氢示范装置已在测试与考核中。
(2)PEMFC的湿度调节与温度控制
在PEMFC中，质子交换膜的润湿状况直接影响着电池内部电化学反应过程和电池组的运行工况［3］。当质子膜润湿良好时，电池内阻低，输出电压高，负载能力强；反之，当润湿状况变坏，膜过于干燥时，电池内阻增加，输出电压下降，负载能力降低。因此，保持质子交换膜良好的润湿状态，不仅是确保PEMFC稳定运行的必要条件，而且对延长电池组工作寿命也有着重要影响。此外，PEMFC内部温度状况对维持电化学反应的正常进行和质子膜的安全工作，均有着重要影响。PEMFC在运行中不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温。当温度接近100℃时，质子膜的强度将下降，此时，如不及时降温，膜会被完全破坏。但是，当电池内部温度过低时，输出电压将下降，内部极化增加，电池组整体性能恶化。维持PEMFC内部正常电化学反应的温度应保持在70—90℃之间为宜。
(3)低功耗元件及高效率功率变换器开发
PEMFC是一种能量转换效率高，无污染，低噪声的电池。为保持PEMFC发电系统仍具有电池组所有的特点与先进性，系统中用于对气、水、电等量进行控制及调节的元件也应具备低损耗、低噪声性能。因此，开发低功耗微型气泵及阀件是系统集成工作中的重要环节。此外，用于PEMFC移动及便携电源输出端的功率变换器，多为小容量的DC/DC、DC/AC变换器。在电力电子设备中，其容量愈小愈难于达到较高的功率转换效率［4］。在开发小容量DC/DC、DC/AC变换器时，特别要注重提高电能转换效率，这对于维持PEMFC系统的高效率同样是重要的。
3 国外质子交换膜燃料电池系统开发及应用进展
近年来，随着质子交换膜材料性能的不断提高和PEMFC内部工艺技术的改进，国外PEMFC的综合性能有了大幅度提高。加拿大Ballard公司、意大利DeNora公司和德国Siemens公司开发的PEMFC电堆性能代表了当今国际最先进的水平。其中Ballard公司的大功率PEMFC的比功率已达1000W/l,工作寿命11000hr。表1列出了DeNora公司近年来PEMFC性能的改进情况。
3.1 移动式及便携式电源开发与应用
PEMFC与其它类型燃料电池相比，具有比功率最高，起动最快，无腐蚀性等突出优点，因此，特别适合作为移动电源及便携电源使用。90年代初，美国及加拿大等国的PEMFC开发机构受各自国家国防部门委托，曾开发了多种军用移动或便携电源。例如：ErgenicsPowerSystem公司开发的带有金属氢化物贮氢器的PEMFC便携电源，输出电压17V，电流7A；该公司还开发了由空气冷却，仍使用H2/O2的PEMFC系列电源，输出电压12—14V，输出功率0.5—1kW。BallardPowerSystem公司开发的水冷式PEMFC便携电源，主要目标是作为军用便携式野战发电装置。该电源系统中包括以下几个部分：甲醇重整制氢、空气加压供给、热交换器、水回收装置、逆变器及控制单元等。在电源小型化方面，H-Power公司曾开发出25WH2/AirPEMFC微型电源，以替代NiCd电池应用于通讯行业。百瓦—千瓦级PEMFC移动与便携电源在EnergyEnergyPattener公司、H-Power公司等都有批量生产。已知的小批量用户有高尔夫球电动车、电动交通信号指示牌及助力自行车等。
表1 DeNora公司PEMFC性能
DeNora1996
DeNora1997
功率(kW)
10
30
电压(V)
30
60
电流(A)
333
500
燃料
纯氢
纯氢
氧化剂
空气
空气
工作压力(MPa)
0.4
0.15
工作温度(℃)
70
70
冷却剂
水
水
效率(%)
57
57
功率密度(kW/kg)
0.10
0.25
功率密度(kW/L)
0.13
0.32
3.2 固定式发电装置的开发及应用
固定式PEMFC发电装置主要用于分布式发电及现场型发电场合，通常输出功率在十千瓦至百千瓦级。1992年Ballard公司开发出功率10kW，以氢为燃料的固定式发电装置。在此基础上，近年来又开发了以天燃气为燃料的10kW固定式发电装置。1997年8月以天然气为燃料，功率更大的250kW固定发电系统又投入了运行。这标志着近年来Ballard公司在PEMFC技术开发方面达到了一个新的水平。目前，该公司正在对250kW发电系统进行性能测试与评价。安排在1999—2000年的现场运行考核，将为250kW发电系统的商业化铺平道路。此外，DeNora公司在1996年开发出10kW固定式发电装置的基础上，通过改进设计，于1997年又开发出输出电压60V，输出电流500A，功率30kW固定式发电装置。
3.3 电动车及船用动力装置的开发与应用
PEMFC高的比功率，常温下可快速起动的特点，使其成为目前最具竞争力的电动车用动力源。因此，一些国家颇具实力的汽车制造厂商纷纷投入巨资开发以PEMFC为动力的电动车。加拿大Ballard公司于1993年就展示了第一辆PEMFCBUS样车。1994年该公司在政府资助下又进行了第二辆PEMFCBUS车的开发。新车的驱动功率由原来的91.9kW增加至202.3kW;载客量由20人增至75人，1996年新车已开始试运行。德国的DaimlerBenz公司于1997年在斯图加特宣布，已开发出具有自动驱动系统的以甲醇为燃料的NeCar3型PEMFC电动车，该车可连续行驶250km。Benz公司还研制了一辆由10个25kWPEMFC堆为动力的BUS。在该车顶部装有7个压力为300bar,容积150l的压缩贮氢容器，可向电堆提供最大为45000l的氢燃料。此外，1996年10月日本Toyota公司开发出RAVALⅤ型PEMFC电动车。该车使用了金属贮氧器，其贮氢量比压缩式贮氢量增加一倍。1997年末，意大利DeNora公司为欧共体研制的用于BUS动力的50kWPEMFC堆已交货。1998年该公司还将完成供电动骄车用的带有氢发生装置的30kWPEMFC堆。
鉴于PEMFC具有低噪声，红外信号弱的特点，一些国家相继开发出隐蔽性更强的第三代PEMFC动力潜水艇。90年代中期以来，加拿大Ballard公司、德国Siemens公司及HDW造船公司先后接受国防部门的委托建造PEMFC动力潜水艇。1997年8月Siemens公司已将功率为300kW、重8t的PEMFC堆交付给造船厂。该电池组已进行了1500hr的持续试验，计划装在于2003年服役的德国海军新型212级潜水艇上。此外，意大利DeNora公司于1997年为ANSALDO公司开发了功率45kW，9个电堆的船用PEMFC动力装置。
4 质子交换膜燃料电池开发及应用前景
一个实用化的PEMFC发电系统，不仅取决于具有良好电化学性能的PEMFC堆，还有赖于系统中各功能部件的合理匹配与集成。随着PEMFC技术和性能的日臻完善与成熟，PEMFC系统集成工作日益变得更加突出和重要。在PEMFC商业化过程中，特别要注意解决纯氢的安全贮存与稳定供给，以及富氢燃料的现场转化技术。对于PEMFC移动及便携电源，应重点开发高比能量、低成本的金属氢化物贮氢系统；对于功率较大的固定式发电装置及电动车，重点应加快甲醇重整制氢技术的开发和实用化。根据欧共体制定的燃料电池发展计划，PEMFC开发重点是用于现场发电的固定式发电装置、移动及便携电源和电动车。开发工作的商业化目标是：到2005年，固定式发电装置的价格应降至1000ECU/kW，工作寿命应提高至40000hr。用于电动车的PEMFC动力源，其价格应降至100ECU/kW,工作寿命应提高至5000hr以上。上述技术经济指标的实现，将为PEMFC批量进入市场创造良好条件。
参考文献
[1] Leoj.M.J.Blomen,et al.Fuel Cell Systems.Plenum Publishing Corporation,1993
[2] [日］大角泰章著，吴永宽，苗艳秋译，金属氢化物的性质与应用.化学工业出版社，1990
[3] 蔡年生.固体聚合物电解质燃料电池中的水平衡.电源技术，1996；(3)
[4] 陆虎瑜.光伏电站用30kVA高效率逆变器的研制.中国科学院电工研究所论文报告集，1997；(30)
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