北京航空航天大学鲍然:燃料电池非终结者

2010-12-29 18:55:42来源: 中国电池网
  燃料电池被认为是一种能够应用于交通运输的先进能源。与传统内燃机车辆以及新能源车辆相比,燃料电池由于直接将燃料中的自由能转换为电能,而不经历燃烧过程,具有高能量效率和排放很低的优点。但是,燃料电池也具有一些先天性的缺点,例如,因燃料电池系统的低功率密度,导致体积庞大且沉重的电源设备,较长的启动时间和缓慢的功率响应。此外,在某些特殊工况,比如在牵引应用中,急剧加速状态下极大的功率输出,以及低速驾驶情况下极低的功率输出都会导致其低效率。同时,最难以突破的问题就是氢气的储存方式以及成本问题。这些问题都阻碍燃料电池成为未来新能源车辆的最佳解决方案。

  不能“储电”而是一个 “发电厂”

  燃料电池到底是什么,有何特点?燃料电池是否真如奔驰所言能够替代其他新能源方案,成为新能源车辆的终极解决方案?

  燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

  早在1839年,被誉为燃料电池之父的Sir William Grove已经发现通过反向的水的电解即可产生电。但是直到1889年,才诞生了第一个利用空气和煤气的实用燃料电池。可以说燃料电池是一种原电池,借助于电化学过程,其内部燃料的化学能直接转换为电能。虽然燃料电池叫电池,但不是通常意义中的电池,准确的说,燃料电池是一座小型发电站,能够在其内部通过化学方式产生电能。其工作原理如图1所示,燃料和氧化剂持续且独立地供给电池的两个电极,并在电极处进行反应,离子通过电解液从一个电极传导至另一个电极。当燃料供给给阳极时,在该电极处,依靠催化剂,电子从燃料中释放。随后,在两电极间电位差作用下,电子经外电路流向阴极或负极,在阴极处,正离子和氧气结合,产生反应物或废气。

  燃料电池如何工作?

  实际上,燃料电池需要辅助设备支持才能维持稳定运行。辅助设备主要包括空气循环泵、冷却水循环泵、排气扇、燃料供应泵和电控设备,如图2所示。辅助设备之中,空气循环泵的能量消耗最大,其消耗功率(含其驱动电机)大约可占燃料电池总输出功率的10%,其他辅助设备消耗的能力比空气循环泵消耗的能量要小的多。可见,燃料电池也如同内燃机一样,其辅助设备也消耗了部分其自身产生的能量。这也使得燃料电池不可能拥有人们想象的近乎于100%的高效率。

  燃料电池的种类

  可以根据燃料电池电解质的类型,将其分类为六种主要的燃料电池:质子交换膜(PEM)或聚合物交换膜燃料电池(PEMFCs)、碱性染料电池(AFCs)、磷酸燃料电池(PAFCs)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)、固态氧化物燃料电池(SOFCs)和直接甲醇燃料电池(DMFCs)。各类燃料电池的效率、工作温度以及应用领域如表1所示。

  现在主流的燃料电池研究主要是对质子交换膜燃料的电池的研究,相比起其他燃料电池,质子交换膜具有以下优点:可低温运行,运行温度为60-100°C;在所有燃料电池类型中,质子交换膜燃料电池功率密度最高,则为满足功率需求所需安装的燃料电池的体积越小;质子交换膜燃料电池采用固态电解质,其电解质不变化、迁移或从燃料电池中气化;在质子交换膜燃料电池中,因唯一的液体是水,故限定了任何腐蚀的可能性。

  技术壁垒让燃料电池不够完美

  氢储存的问题

  将燃料电池应用于新能源车辆上,其最主要的难题是将燃料供应给车载燃料电池。众所周知,氢是应用于燃料电池车的理想燃料。因此,制氢极其储存是车载中的重要的关注点。通常,有两种途径向燃料电池供应燃料:一是在地面供应站生产氢气,而在车上储存纯氢;另一种是在车上,从易于含氢的承载装置中生产氢,并直接供给燃料电池。相对于在车上制氢,在车上储存氢是现阶段较为普遍的方案。但是,由于氢气本身的性质,在技术上还存在许多需要突破的难点。在车上储存氢,有三种方式:1.在环境温度下,在贮存器内储存压缩氢;2.在低温下,低温液态方式储存;3.金属氰化物的储存方法。其中第1、2种为较为普遍的方案,但各自也存在许多缺点。同时,由于篇幅所限,只在此讨论第1和第2种方案。

  首先是压缩氢这种方式,纯氢采用加压状态下储存在罐内。根据资料,约20%的氢能量被消耗在将氢压缩至高压的过程之中,如果计算压缩机和电机的低效率后,估算约25%的氢能量被消耗。而且,由于采用高压的储存状态,贮气罐由于需要承受几百标准大气压的压力而需要有很高的强度。为了使得罐的重量尽可能地轻,同时容积合理,就需要采用复合材料,如碳纤维材料,但是,这样的成本会十分高。同时还必须考虑车载压缩氢的易燃性。除了因为在罐壁、密封处等开裂导致氢泄露的危险外,还存在氢穿过罐壁材料的渗透问题。这是由于含两个氢原子的分子极小,致使其能扩散通过某些材料。此外,万一失事,压缩氢贮存罐是一个潜在的炸弹。就氢本身而言,其危险性甚至更大。在空气中,氢具有从4%-77%很宽的爆炸范围,且可以非常迅速地与空气混合。与汽油相比,汽油爆炸范围仅为1%-6%,且为液体。所以,至今为止,车载压缩氢的储存技术仍然是应用于新能源车辆上的一个瓶颈。

  另一种可供选择的车载储氢方法是在低温(-259.2°C)条件下使之液化。如果想在-259.2°C这样的低温下贮存液体,其技术上是十分困难的。要求深度绝热,以力求将从周围空气到低温液体的热传递减至最小,从而,防止其沸腾。通常的方法是构造一个高度绝热的贮罐,且使之坚固地足以承受因液氢气化所产生的相当的压力,而过量的压力则通过安全阀释放至大气中。这一贮罐的绝热、高强度和安全设置也显著地增加了液氢储存的重量和成本。使用液氢储存存在一个危险的情况:假如车辆在一个封闭区域(车库、地下停车场)内停车,则存在氢在有限的大气范围内聚集的危险。这样所形成的易爆混合气体在初次产生火花(灯开关、打火机等)条件下将起爆。液氢贮罐的加注需要特殊的防护措施:空气必须排除在环路之外。为此,一般采用的方法是在加注前先用氮注满贮罐,以便排空罐中的剩余气体。同样,必须应用专门用来控制爆炸和低温的设备。同时,任何低温液体对有生命生物是一种危险的化合物,会冷冻灼伤皮肤和器官。所以采用低温液化氢储存的方法也存在许多问题需要解决,同时还存在一定的危险性。可见,低温车载储氢也存在各种问题暂时无法解决,使得燃料电池的应用受到了阻碍。

  

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关键字:燃料电池  新能源车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2010/1229/article_3019.html
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