氢能与燃料电池的发展现状与市场趋势

能源是与人类社会生存与发展密切相关的问题，持续发展是全人类的共同愿望与奋斗目标。人们已经意识到以化石能源为代表的矿物能源最终将会枯竭。中国是能源短缺的国家，石油储量只占世界的2%，中国自1993年首度成为石油净进口国，原油对外依存度由1993年的6%一路攀升，到2006年突破47%，其后每年都以2～3个百分点的速度向上攀升，直至突破50%的警戒线，并一路攀升至2011年的新高56.4%，创下历史新高。即使占中国目前能源构成近70%的煤，如图1所示，按照现有储量和使用速率，也只够用100余年，因此中国的能源形势十分严峻，能源安全将面临严重挑战。
 

另外，中国的能源使用比例严重失调，普遍使用的煤炭等矿物燃料燃烧时，会释放出SO₂、CO、CO₂、NO_X等对环境有害的物质，随着能源消耗量的增长，有害污染物的释放量在快速增加，造成温室效应、光化学烟雾、酸雨、臭氧层空洞等严重的环境问题，危及人类的生存和发展。例如，现在的空气污染问题尤为突出，2013年1月中国中东部就有四次大范围的雾霾天气，PM2.5再次受到人们的关注，而造成PM2.5居高不下的罪魁祸首则是大量使用化石能源和汽车尾气的排放，因此调整能源产业结构已迫在眉睫。

为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫^{［1］［2］}。氢能因燃烧热值高、污染小，资源丰富成为新能源研究的对象，氢（H₂）燃料电池作为氢能利用的有效手段，已被美国《时代周刊》评为21世纪有重要影响的十大技术之一。

燃料电池是一种将储存于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其研究开发已半个多世纪，并取得了很大的成就。它作为一种绿色能源技术，可以同时解决环境保护和节约能源两大社会难题。目前，燃料电池按照电解质的不同主要分为5种类型，如表1所示^［3］，质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。表1给出了几种主要的燃料电池的基本性质和应用。可见，根据其各自的特性，燃料电池可以应用在不同场合，从小型便携式电源，到中型社区的热电联供，再到大型的固定电站等均可得到有效应用。
 

最近几年，PEMFC、SOFC、DMFC取得了迅猛发展，应用前景普遍被各国认可，部分燃料电池目前已经迈向市场，有望取得大规模市场应用，因此本文着重介绍上述三种燃料电池。

一 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

（一）PEMFC基本原理及简介

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是General Electric公司在20世纪50年代发明的，化学反应过程同酸性电解质燃料电池类似。工作环境温度为60℃～80℃，属于低温燃料电池，其电解质是固体的、不流动的，电池结构比较简单。

质子交换膜燃料电池的工作过程相当于水电解的逆过程。工作原理图如图2所示，实验装置由阳极、阴极和质子交换膜组成。氢气（H₂）在阳极催化剂作用下，解离为带正电的氢离子并释放出的电子，氢离子穿透质子交换膜到达阴极；电子在外电路形成电流；在电池阴极，氧气（O₂）在阴极催化剂作用下与氢离子发生反应生成水^［4］。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆（简称电堆）^［5］。
 

（二）PEMFC的优点

效率高：对于PEMFC，由于工作过程中不涉及氢氧的燃烧，仅仅是氢和氧通过电化学反应生成水，因而不受卡诺循环的限制，其能量转化效率比较高，可以达到83%左右，是普通内燃机的两倍。与其他形式的发电技术相比，除核能外，这种发电形式平均单位质量燃料所能产生的电能燃料是最高的。

无污染：PEMFC的反应是电化学反应，而不是采用燃烧方式，因此无污染。燃烧会释放有害气体和尘埃等。PEMFC只会产生水和热，如果氢是通过可再生能源产生的，整个过程就是彻底地不产生有害物质排放的过程。

无噪声：燃料电池运行安静，噪声大约只有50分贝左右，相当于人们正常交谈的无噪声水平，适宜于安装在室内或室外对噪声有限制的地方。

无振动：PEMFC内部发生反应过程中，不需要运动部件传递能量和做功，因此没有运动部件工作产生的振动。[!--empirenews.page--]

安全可靠性：PEMFC的安全可靠性主要来自电堆和

电堆材料的模块特性，同时由于燃料电池中没有运动部件而且易于维护，这些都给PEMFC提供了较高的运行可靠性。随着PEMFC的发展，电池的模块性越来越明显，可靠性越来越高，寿命也越来越长。

模块化：燃料电池从原理上可以和普通电池一样，做成一个个很小的单体（模块），若干个单体组成一个燃料电池系统。模块化技术提高了燃料电池的可靠性，减少了移动部件，便于组装和保养。

（三）PEMFC的应用与市场状况

目前，PEMFC是汽车研发公司最为喜欢的一类燃料电池，研究者正尝试用它来替代原先使用的内燃机。另外，PEMFC可以为绝大多数军事装置（战场上的移动手提装备，水下机器人，地下工事，海、陆运输工具等）提供动力。21世纪前十年，是PEMFC从特殊应用和示范运行转到产业化、民用化阶段的重要时期。按照现在的发展趋势，我们完全相信，PEMFC技术将在21世纪应用到我们生活的很多方面，从分布式电站到移动式电源，从电动汽车^［6］到航天飞机，从军用装置到民用产品^{［7］［8］}。表2给出了PEMFC在不同领域的应用成本和技术目标，从表中可以看到，部分燃料电池产品已经具备进入市场的成本、寿命等必要条件。

1. PEMFC在分布式能源中心及热电联产、固定电站方面的应用

分布式发电^{［9］［10］}（Distributed generation，DG）简单地说就是将原来建在较远距离的大容量热电厂（或者电厂），改为在市区内建设一些小容量热电厂（或电厂），规模一般较小，通常为几十千瓦至几十兆瓦，这样能降低成本并提高能源的利用效率，还可以采用冷、热、电联供方式^［11］。分布式能源中心所使用的能源包括水电、风能、太阳能、生物质等可再生能源或清洁能源。分布式发电可以减少长距离输变电工程，与集中式发电相结合可以提高电力系统的供电可靠性。
 

进入21世纪，人们对可再生的新能源发电方式的关注度逐渐增加。燃料电池与汽轮机、柴油机等传统发电方式相比，有众多优良特性，如表3所示^［19］，它可以不受时间和天气等因素的制约，可稳定、可靠、持续地发电，是一种很有前途的分布式电源，受到了人们的广泛关注^［12］。

在质子交换膜燃料电池热电联供系统方面，研发首先开始于北美和欧洲。由加拿大Ballard公司开发的第一台以天然气重整氢气为燃料的250kW质子交换膜燃料电池热电联供商用展示系统，于2000年6月在德国柏林Treptow供热厂开始运行^［13］。该系统提供250kW交流电和230kW热量，系统的电效率为35%，总的能量效率为80%，并提供75℃的热水。在德国的Mingolsheim，另一套同样的系统在2002年9月至2003年10月运行了1年时间，期间系统输出150kW～212kW的交流电，电效率28%～38%，热效率30%～42%^［14］。这之后，GM和Dow化学公司合作在Dow的工厂内安装了类似的300kW热电联供商用展示系统^{［15］［19］}，如图3所示。
在小型家用燃料电池方面，日本为我们做出了表率，日本政府认为^［16］，1kW燃料电池系统基本能够满足家庭的用电需要，采用这样的系统可以为居民住宅供电8小时，并且24小时供应热水。这样的系统在白天开启，夜晚以及峰值输出时用电网来补充供电不足，系统效率超过30%，总效率超过65%。日本、美国、中国等国近几年在民用燃料电池电站方面的投入巨大，如表4所示^［17］。
中国的燃料电池发电研究起步并不晚，“九五”期间，质子交换膜燃料电池被列为重点，并于2006年组装了多套百瓦、千瓦级燃料电池电堆与燃料电池系统。北京飞驰绿能公司、清华大学、上海神力公司^［17］和北京富原公司等都研制出5kW的氢燃料电池电站。广东省已建成了广州大学城分布式能源站，是目前全国最大的分布式能源站^［18］，如图4。此能源站以天然气为一次能源，通过燃气—蒸汽联合发电机组发电的同时，将发电后的余热用于生活热水和空调冷冻水制备，向大学城供应冷、热、电；通过能源的分级利用，系统的综合能源利用效率能够达78%。北京市于2006年开展天然气—质子交换膜燃料电池分布式电站的研究^［19］，由北京科技大学主持，建立了10kW级天然气重整制氢的PEMFC分布式热电联产电站[!--empirenews.page--]^{［20］［21］}，并于2008年北京奥运会期间进行了示范运行，为北京绿色奥运作出了贡献。长时间运行结果表明，PEMFC发电效率高达40%，热电综合效率可达80%，占地面积约2平方米，如图5所示。华南理工大学独立研发的300kw质子交换膜燃料电池示范电站已于2009年年底启用，如图6，占地仅2000平方米，项目投资1850万元，是一个“微型”的发电厂，该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，能量利用率可达90%^{［8］［22］}。
 

2.PEMFC在移动式电源方面的应用

PEMFC作为移动式电源，其应用领域分为两大类：一是用作便携电源、微型移动电源、备用电源等；二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力。从其发展情况看，PEMFC技术是较为成熟的电动车动力电源，并且已经商业化，如图7所示^［23］。
根据各国的社会情况，电动车的发展方向是不尽相同的，这其中影响最大的开发项目有两个：一个是由美国DOE组织的国家PEMFC研究项目，另一个是由加拿大Ballard动力公司作为技术支持，由福特、奔驰等公司支持的PEMFC电动汽车项目，如图8所示的奔驰B级氢燃料电池车是比较成功的一例^［23］。2010年起亚开发出霸锐Borrego FCEV，该车能量供应来源于燃料电池（98%氢气供给），全四轮驱动，续航里程可达700公里，输出功率115kW。起亚计划在2013年较大规模生产Borrego FECV。目前，世界各国对氢燃料电池车和氢能研发的投入都比较大，如表5所示。
在上海世博会期间，世博会与科技部合作开展纯电动、混合动力、燃料电池等1017辆各类新能源车辆示范运行项目，如图9所示^［24］。其中，燃料电池汽车196辆，包括燃料电池客车6辆，燃料电池轿车90辆，燃料电池观光车100辆。这是继2008年北京奥运会（如图10所示）后，中国新能源车技术和成果的又一次集中展示^［24］。为配套世博燃料电池汽车的示范运行，主办方在靠近世博园区附近新建了1座世博加氢站和2辆移动加氢车，为各种车辆提供燃料补给服务。
 

中国对燃料电池电动车的推广相当重视，在国家《节能中长期专项规划》中着重强调要“发展混合动力汽车、燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等清洁汽车”。清华大学、中国科学院大连化学物理研究所、富原燃料电池有限公司等科研院所已经研制出游览观光车、中巴车样车等，其运行性能接近或达到国际领先水平。

鉴于其重要性，燃料电池已经被美国列为使美国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一，并被美国、加拿大等发达国家认定为21世纪首选的清洁能源系统。
 

二 固体氧化物燃料电池（SOFC）

（一）SOFC工作原理及简介

Nernst在1899年发现了固体氧化物电解质材料，为固体氧化物燃料电池奠定了基础。SOFC因使用固体陶瓷材料电解质而得名，该电解质的本质就是金属氧化物。SOFC的基本组成为阴极、阳极和中间的电解质，其工作原理是，燃料电池在运行过程中，在阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子穿过固体电解质材料到达阳极，然后与阳极的燃料反应，生成H₂O和CO₂，电子经过外电路通过负载输出电能，化学能就转变成电能。

随着制备工艺的不断进步，在20世纪80年代，新型固体氧化物燃料电池得到了迅速发展。该电池具有诸多的优点：能量转换效率高，能量的综合利用效率可以达到80%以上；燃料适应性广，可以直接利用天然气、煤气化气或其他碳氢化合物等作燃料；能够承受较高浓度的CO的毒害，因此对电极的要求会降低；使用具备电催化作用的阳极可以在发电同时生产化学产品。因此目前世界各国都在积极投入对SOFC技术的研发。

（二）SOFC在固定电站、燃料电池—汽轮机联合发电方面的应用

目前，SOFC电池堆的研究者采用了两种不同的应用战略。

（1）开发高于900℃温度的SOFC系统，可与燃气轮机联合使用，使发电效率大幅提高。图11为西门子—西屋公司开发出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站，此发电站已于2000年5月安装在美国加州大学，功率220kW，发电效率58%^［25］。
（2）开发小型SOFC发电单元。这种SOFC常常设计为热电联产的形式，既可应用于住宅以及偏远地区分布式电站，如Sulzer Hexis公司开发的系列产品；也可用于辅助电源以及交通工具，其产品以德国BMW集团公司开发的车用SOFC-APU为代表。日本大阪燃气于2012年3月13日宣布，已完成家用固体氧化物型燃料电池的开发，并于4月27日以“ENE-FARMtype S”的商品名投放市场。该产品达到了全球最高水平的发电效率。天然气通过重整器分解成氢和一氧化碳并被送入电池组（电池组中收纳有燃料电池），反应产生的热用于燃气重整和城市供热（如图12所示）[!--empirenews.page--]^［22］。
 

高温燃料电池能以天然气、甲烷、CO、气化煤气等作为燃料，电池堆产生的高温废气可以与燃气轮机组成联合循环发电系统，大大节约能源^［26］。因此，高温燃料电池被国内外公认为适合固定电站或燃料电池—汽轮机联合的新型发电技术^［27］。

美国是燃料电池研发最早的国家之一，早在20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）就已经开始将燃料电池应用于航天工程。日本和欧洲各国进步也很快，其中多个项目已经开始进行商业应用方面的示范演示。图13为西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂，它可以提供110kW的电力和64kW的热，发电效率达到46%，总效率接近75%^［25］。新泽西州已于2013年1月22日启动热电联产和燃料电池的补助计划，该计划向发电能力超过1兆瓦的热电联产或燃料电池提供资助，要求热电联产系统大于1兆瓦，余热利用必须达到至少65%，燃料电池项目超过1兆瓦的余热回收必须达到至少45%的效率。
 

在国外SOFC蓬勃发展的势态下，中国众多科研单位（如中国科学院大连化学物理研究所、吉林大学、清华大学、华中科技大学等），也相继开展了固体氧化物燃料电池的研究^{［28］［29］}。2007年，中国科学院过程工程所固体氧化物燃料电池课题组研发的“列管式不密封无连接固体氧化物燃料电池”发电成功。发电功率为每组35瓦的单电池组，由4个电池组组成的电堆进行了500小时的运行试验，并通过科技部组织的“863”项目验收。总之，目前中国已经具备了研制数千瓦级的SOFC发电系统的能力^［30］。

当今世界随着能源和环境的压力越来越大，世界各国积极发展固体氧化燃料电池，SOFC的商业化进程正在加速实施，以下是部分建成的SOFC燃料电池厂，如表6所示^［31］。
 

总之，固体氧化物燃料电池具有能量转换效率高、燃料适应性广、模块化组装、全固态、零污染等优点，可以直接利用氢气、天然气、煤气、液化气及一氧化碳等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分布电站和小型家用热电联供等利用领域，作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等，应用前景十分广阔。

三 直接甲醇燃料电池（DMFC）

（一）DMFC工作原理及简介

图14^［35］为DMFC的结构原理图。DMFC由阳极、电解质膜和阴极构成。甲醇在阳极转换成质子、电子和二氧化碳，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应生成水，电子通过外电路对外做功。其中，甲醇完全氧化生成二氧化碳是一个6电子的转移过程。理论上DMFC的电压基本上与氢氧燃料电池相近，但由于实际运行时电极极化和电池内阻引起的欧姆损失，DMFC输出电压会小于标准状态下的理论电压。
 

从严格意义上说，直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种特殊的PEMFC，只是用醇类或其他有机小分子代替氢气作为燃料。在过去的几十年内，DMFC由于其具有燃料来源广泛、容易储存和运输、价格便宜和氧化最终产物低污染的优势而受到越来越多的关注。尽管目前DMFC还存在诸如甲醇渗透和甲醇催化效率低等现象，导致DMFC的效率和性能降低；此外，其寿命和稳定性也尚不能满足市场的需求。但DMFC美好的前景，尤其是其在便携式电源领域里可操作性的前景，已经促使各大企业和科研单位将其作为重点研发方向而进行大量投入。

（二）DMFC在小型电源上的应用

DMFC市场大约可分为个人用便携式电子产品（100W以下）、电机（100～1000W）、电动摩托车（不超过1.5kW）、住宅用发电装置（5～15kW）、电动汽车（50～100kW）和小型电站（1MW）等。其中最具有发展潜

力的是个人便携式电子产品，包括笔记本电脑、数码相机、个人数字助理（PDA）、手机、摄像机和收音机等。

随着人们工作生活节奏的加快，笔记本电脑、手机等便携式产品被广泛使用，而目前普遍采用的铅酸蓄电池、锂离子电池越来越不能满足发展的需要，市场急需要寻求一种新型的电池取代目前的现状，直接甲醇燃料电池被认为是最有希望的化学电源而受到极大的关注^［32］。
 

自20世纪60年代开发至今，世界各国的厂商都在着力进行DMFC的研制，并取得显著进展。日本KDDI应用DMFC技术将甲醇微型燃料电池应用于3G手持电话充电器，二者均于2008年上市，如图15[!--empirenews.page--]^［33］；在笔记本电脑应用方面，东芝及Samsung开发了DMFC产品，Casio利用甲醇重组技术则开发出了PEMFC雏形机，这些产品都可使笔记本电脑运作10小时；美国零售商Brookstone已经贩售一款可携带型智能手机用燃料电池，可为iPhone 4充电至少10～14次。与此同时，甲醇作为燃料，其需求量也随之相应增加，也促进了化工产业的发展^［34］。

中国政府对燃料电池的发展非常重视，将其列为“国家科技中长期发展规划”中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术^［35］。2009年11月24日，由清华大学承担的国家高技术研究发展计划（863计划）“智能化高效直接甲醇燃料电池系统的研制”项目在北京通过科技部验收，如图16^［36］。同时中国科学院大连化学物理研究所、北京科技大学等科研单位也为加速甲醇燃料电池技术的研发及产业升级作出了很大努力。最近，北京科技大学提出了一种以甲醇为原料、超分子化合物为中间储能介质的间接甲醇燃料电池，具有优异的电化学性能，同时巧妙地避免了现有直接甲醇燃料电池存在的甲醇穿透、催化剂中毒等问题，开辟了甲醇燃料电池的新研究方向^［37］。
 

DMFC作为小功率、便携式的电源具有许多优点，在小功率的应用场合（如移动式电源、电动汽车等）与其他化学电源相比具有很大优势。估计在以后几年中，DMFC的研制应用将会有很大的进展。

四 其他类型燃料电池

碱性燃料电池是最早得到应用的一种燃料电池，在20世纪60年代，美国NASA就已成功用于“阿波罗”宇宙飞船。在中短期来看，碱性燃料电池的应用基本上局限在宇宙、AIP推进系统，以及固定发电系统方面，而且相对于其他燃料电池的发展，碱性燃料电池的应用领域受到一定的挑战。

磷酸燃料电池（PAFC）由于其制造成本低、性能优良而受到高度重视，发展非常迅速，已步入商业阶段。PAFC既可用于大规模发电，也可用作医院或居民区供电、汽车动力以及不间断供电，其中同时提供的电和热水被认为是PAFC的最佳应用方式，但是最近几年由于其居高不下的成本和较高的腐蚀性，影响了其进一步发展。

熔融碳酸盐型燃料电池通常称为第二代燃料电池，具有高效率、噪声低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气和天然气和生物燃料等）、余热利用率价值高和电池材料造价低廉等诸多优点。

锌空燃料电池是利用锌和空气在电解质的作用下产生电能。锌空燃料电池的最大优势是高能量，另外，地球上丰富的锌资源使得锌空燃料电池的原材料非常便宜。这种燃料电池可用于电动汽车、电子消费品和军事等领域，应用前景比较广阔。

再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已经有许多研究机构致力于这方面的工作。这种电池以太阳能为动力，将电解池中的水分解成氢和氧，然后送回到燃料电池。但这种电池的商业化开发仍然面临许多诸如成本、太阳能利用的稳定性等问题。

生物燃料电池是一种真正被寄予希望的燃料电池，它通常以有机物如甲醇或乙醇为原料，在生物酶的作用下产生电能。它的本质是把有机燃料变成能量。目前，这种电池还没有进入规模化的研究和应用。

随着燃料电池的发展，越来越多的燃料电池将被提出来，许多公司和科研人员也正致力于这些燃料电池的研究工作和商业化推进。

五 结论

随着科技的发展和全球能源危机，以及环保呼声的高涨，燃料电池正逐渐引起人们足够的重视。尽管目前燃料电池还面临着同化石燃料的竞争，但是燃料电池拥有的优势还是十分明显的，如应用范围广泛、环保方面的零排放等等。从世界燃料电池迅猛发展的趋势来看，21世纪头二十年将是燃料电池发电技术商品

化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。业内认为，随着今后几年的发展，再配合液态氢基础设施网络的建设和完善，国家政策扶植力度加大，燃料电池必将在能源及相关领域引发一场深刻的能源革命，促进产业升级，带动国民经济高速健康发展。而能源领域的这场革命是中国政府、企业、高等科研院所不得不正视的重大课题，我们对此必须要有充分认识并给予足够的重视，使其早日实现产业化，为中国的国家能源安全和国民经济可持续发展保驾护航。[!--empirenews.page--]

澳门由于地少人多，能源消耗多，人与地、人与资源的矛盾突出，这也为燃料电池汽车、热电联供系统的发展与推广提供了广阔的平台与空间，由于PEMFC相对于其他燃料电池较成熟，造价较低。对于澳门政府，一方面针对公共交通系统或私人汽车领域，可以发展PEMFC燃料电池汽车。由于PEMFC电堆成本已经有大幅度下降，使用寿命大大提高，业界普遍认为氢储问题已成为发展PEMFC汽车的“瓶颈”，但是由于澳门地区占地面积小，区域地理半径小，因此可采用氢气钢瓶压力存储或者储氢合金存储方式进行氢气的存储，可满足澳门等小城市的全区域使用。众所周知，相对于传统燃油轿车，PEMFC轿车具有排放产物只有水、噪声低、效率高等显著优点，虽然造价上高于传统内燃机轿车，但是长远来看，营造清洁、健康的环境将最终造福当地人民百姓，为澳门在新能源利用上谱写新的历史篇章。另一方面，为楼宇、宾馆酒店等小型社区发展分布式PEMFC冷、热、电三联供系统。澳门第三产业，尤其是博彩业和旅游较发达，地理位置处于热带地区，同时对制冷、热水、电力等有需求，而PEMFC冷、热、电三联供系统恰好吻合需求，同时该系统对一次能源的利用率可达80%以上，另外NOx、SO₂等排放量也大幅度低于传统供热、供电系统。因此大力发展清洁能源，尤其以PEMFC为代表的能源产品，将为澳门的腾飞发展、绿色环境提供源源不断的动力。

综上所述，燃料电池清洁高效，应用前景广阔，市场潜力巨大，发展该技术对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。