内容发布更新时间 : 2024/12/25 23:02:33星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

多数机动车依靠氢气运行。德国的戴姆勒、日本丰田和通用汽车开发出的机动车，在行驶过程中制氢，原料为甲醇或是专门定制的汽油。目前，大部分的制造商致力于发展氢存储的机动车。

机动车系统里的燃料电池通常结合电力存储包，它既可以是电池，也可以是超级电容器。采用电力存储包的三个主要原因是：可以提高电池动力，减少燃料电池堆尺寸和成本，实现再生制动。这对提高电池的总效率有积极作用。

从20世纪90年代起，燃料电池汽车开始发展。它有很多优点。从技术角度，汽车上可用空间大，对燃料电池系统的整合和氢存储有利，不必占据乘客的使用空间。汽车燃料一般在巴士中心补给。与柴油发动机相比，燃料电池系统的汽车驱动的动力循环性能更优越。发动机通常在部分负载情况下运行，这就导致了柴油发动机效率较差。机动车的燃料消耗一般为42~48%，比标准的柴油ICE型号要低。

目前，燃料电池汽车最大的现场测试项目是欧洲EU支助的CUTE工程，在10个城市30辆戴姆勒汽车每天进行测试（图9）。USA政府的能源部门制定了移动燃料电池系统的技术和成本目标，使其与传统的汽车相比具有竞争力。直接氢燃料电池能源系统效率达到60%，到2010年包括氢存储在内，成本降到$45kW-1，2015年降到$30kW-1。重整器的启动时间将小于30s。

图9 阿姆斯特丹运行的燃料电池汽车，为CUTE工程的一部分。

5.3 其他燃料电池型号的应用 5.3.1 碱性燃料电池

碱性燃料电池（AFC）与PEMFC相似，属于低温燃料电池类型。电解质通

常为浓KOH。碱性燃料电池最主要的特点是无论阴极还是阳极都不需要贵金属催化剂或所需贵金属催化剂载量低。对于阳极，通常使用镍，阴极通常使用银。

因碱性电解质KOH会与含碳材料中含有的或生成的CO2或空气中的CO2作用形成K2CO3，低温下溶解性下降而形成沉淀，会堵塞多孔电极结构。可以采用石灰石过滤器来过滤CO2，一般石灰石用量为0.1~0.01kg/kWh。另一种处理方法是经常更新电解质。

热KOH的腐蚀性也限制了材料的选择。电流收集器、非贵金属电极催化剂都容易受到KOH影响，甚至电极上的PTFE，也由于氧部分还原形成的自由基与KOH结合，容易被分解。

目前最成熟的碱性燃料电池是纯氢纯氧燃料电池，虽然也有用甲醇重整气等作燃料的碱性燃料电池，但因必须使用除CO2装置而使得造价高、操作费用高，且能量密度低等原因而无法与其它类型燃料电池比较。目前碱性燃料电池的研究主要着眼于空间能源、牵引动力的应用。例如，比利时正在研究14kWe动力用于大众牌货车，以及70kWe动力用于公共汽车；德国为空间飞船研究6kWe的电源。

5.3.2 熔融碳酸盐燃料电池

自60年代后期，MCFC所用的阴极几乎都是由多孔性镍氧化物构成，该氧化物由镍烧结物氧化形成，含有2~3%的Li+，LixNi1-xO，其中x在0.022~0.04之间。为了使电阻尽量小，一般阴极厚0.3mm左右，电极的孔隙率约为55%，平均孔径均10?m。MCFC的阳极总是由多孔性烧结镍做成，厚度为0.5~0.8mm，孔隙率约为55~70%，平均孔径约5?m左右。

MCFC操作温度大约650℃，在此条件下阳极动力学很快，因而不必像低温燃料电池一样为避免毒化而使用贵金属催化剂。再者，水煤气中的CO在MCFC的操作条件下马上反应生成H2和CO2。从原理上说，可以使用煤等初级燃料，与PAFC相比，MCFC在相当的电流密度下电压比PAFC电池高0.1V以上。且因工作温度高，废热可以得到充分利用，因而目前MCFC是效率最高的燃料电池，用天然气作燃料时可高达60%。除效率高之外，MCFC因本身的高温就可对天然气进行内部重整，省去复杂、昂贵的重整装置。但MCFC的寿命比PAFC短。

目前，大功率的MCFC发电厂不断发展。德国和美国共同建立的2MWe发电厂在1993年底试运行，芬兰正在研究40MWe的高熔融碳酸盆燃料电池发电厂，最大单个电极面积已做到lm2。日本已开始试验100kWe的电池堆，从1993年开始建造1MWe的试验电厂。由于MCFC是一种很有希望发展成大规模电厂的技术，可以用煤、天然气等作燃料，发电效率高，其成本为$1100~$1200kWe-1。日本已将燃料电池资助的80%用于MCFC的研究与开发。 5.3.3 磷酸型燃料电池

磷酸型燃料电池的操作温度约为200℃。磷酸燃料电池采用由碳化硅和聚四氟乙烯制备的电绝缘微孔结构隔膜，饱浸浓磷酸作电解质。采用导电、抗腐蚀、高比表面、低密度和廉价的炭黑作为电催化剂（如贵金属铂)的担体，提高了铂的分散度和利用率，进而导致电催化剂贵金属铂的用量大幅度降低。

事实上，早期PAFC的许多组成部件与PEMFC相似。由于操作温度大于100℃，比PEMFC高，使得CO容量更高，一般为1~2%。而且PAFC的热处理更简单，热品质却更高。

在过去二十多年中磷酸燃料电池(PAFC)比其它类型燃料电池发展要快，是目前最为成熟的燃料电池之一。20世纪90年代占领固定式市场，市场份额占到80%。PAFC系统的能量范围一般为50~200kWe。近年来，它的市场占有率逐渐下降。成本降低已经接近其底线，PAFC的研究开发面临终结。一套200~1000kWe系统的成本约为$2000~$4000kWe-1，比预期的具有竞争力的$1000kWe-1高很多。

在美国能源部(DOE)和煤气研究院((GRl)的资助下，由国际燃料电池公司的子公司ONSI公司研制了PC25A-200kWe的磷酸燃料电池电站。在1992~1994年间，200kWe的磷酸燃料电池电站已进入商业化前期的试验阶段，ONSI公司生产的56台PC25A电站在世界各地进行试验。大部分装置已经运行了30000~40000h，平均可用率66%。在日本，PAFC系统也运行了超过40000h。许多PAFC系统已经用沼气取代了天然气来进行操作。 6 燃料电池的环境效益

燃料电池电动车不仅减少了污染物的排放，效率也比传统机动车的高，对异质油的依赖性减少，正是为后油时代作准备。

排放标准的现状和趋势

欧盟和美国的严格排放控制法规迫使汽车产业开发更加清洁的电动车。欧盟和美国的客车排放标准如表5所示。加尼福利亚的排放标准更加严格，实施时间还没确定，但已经推迟了很多次。

美国2级排放标准是一个客车平均标准，细分为8个级别，表5为平均级别。相对于欧盟的废气排放标准，汽油和柴油客车都必须满足美国的2级排放标准。

表5 欧盟和美国的客车排放标准（g/km）

燃料经济和CO2排放

通常做法是计算所谓的油井到车轮的效率或排放量，包括燃料供应链的效率和废气排放（油井到油箱），以及电动车自身的效率和排放量（油箱到车轮）。

最近研究对比了通用汽车和LBST在不同燃料途径和动力系统下，能量消耗和CO2排放量。表6比较了各种燃料的温室气体排放量。从表6可以看出，应避免用电来电解制氢，因为它将导致较高的CO2排放。压缩氢生产比液氢的排放量要少。原料的供应依赖于市场，因此供应链成本比CO2排放量显得更加重要。太阳能光伏电解制氢将增加成本$52-82 GJ-1。

表6 各种燃料的温室气体排放量

表7给出了GM研究模型中各种配置的燃料消耗量。从表7可以看出，只有氢燃料电池在减少温室气体排放方面具有较好的优势。与混合柴油电动车或其他采用内部燃烧技术的电动车相比，使用气油燃料处理器的电动车减排效果最不

明显。表7的数据来自MIT最新的研究。采用气油的燃料电池电动车（混合和非混合）能量消耗和温室气体排放量都没有显著降低。如果氢气取代气油和柴油，燃料电池的氢气转换效率将远远高于内燃机。

表7 GM研究模型中各种配置的燃料消耗量

7 结论

燃料电池的多种应用系统正在开发当中。它们为运输和热电联产提供了机遇，节省了能源，同时减少温室气体排放。由于燃料电池技术日趋成熟，固定式电力系统和燃料电池电动车已经进行现场测试阶段。只有当可靠性得到保障，成本降低，燃料电池才能真正实现其商业化。

参考文献

[1] F. Bruijn .Green Chem., 2005, 7, 132–150.