燃料电池技术的发展现状及趋势分析

综述

2019.7Vol.43No.7收稿日期：2018-12-02

基金项目：河南省工程技术研究中心项目(豫科2016-221号-高

新35)；河南省创新型科技团队项目(C20150017)；河南省教育厅科学

技术研究重点项目资助计划(13A460693)作者简介：郭朋彦(1981—)，男，

河南省人，副教授，博士，主要研

究方向为车辆与车用动力。

1233氨燃料电池的研究现状及发展趋势

郭朋彦1,2，聂鑫鑫1，张瑞珠1，陈磊1，陈全征1

(1.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045；2.华北水利水电大学车辆与新能源技术研究院，河南郑州450045)

摘要：氨作为一种无碳富氢化合物，其价廉、不易燃、易于储存和运输，产业基础完善，恰好可弥补氢作为燃料所面临的

不足，被认为是可替代氢用于燃料电池的理想燃料。介绍了氨的理化特性，讨论了各类氨燃料电池的工作原理和特点，

分析了氨燃料电池的国内外发展历程及研究现状，研究了氨燃料电池存在的优势，探讨了氨燃料电池在商业化进程中

所面临的挑战以及应对措施，并指明了氨燃料电池的发展趋势。

关键词：氨燃料；燃料电池；研究现状；发展趋势

中图分类号：TM911.4文献标识码：A文章编号：1002-087X(2019)07-1233-04

Researchstatusanddevelopmenttrendofammoniafuelcells

GUOPeng-yan1,2,NIEXin-xin1,ZHANGRui-zhu1,CHENLei1,CHENQuan-zheng1

Abstract:Asacarbon-freehydrogen-richcompound,ammoniaisconsideredanalternativetohydrogenforfuelcells

becauseofitsadvantagesoflowprice,non-flammable,convenienceofstorageandtransportation,adequate

在使用的锂电池差不多，但电容量却是锂电池　

的４倍。这是该公司为了满足汽车和家庭需要　

而开发的固体高分子型燃料电池的一种，用改　

质器从沼气中提取氢送入燃料电池，改质器只　

有５００日元的硬币一样大，电池本身长２０ｃｍ，　

宽和高均为几厘米，用于一般的笔记本电脑可　

连续驱动８Ｎ　１６个小时。　

日本雅马哈公司２００５年１１月宣布，己成功　

开发出以沼气为燃料的燃料电池摩托车‘Ｆｃ—　

ｍｅ’。这款摩托车己于２００５年９月１６日在日本　

静冈县以出租的形式上路，是世界上首款进人　

实用阶段的燃料电池摩托车。这款燃料电池摩　

托车可用作小型摩托车的替代品，燃料是沼气　

水溶液，加满燃料可持续行驶１００ｋｍ，和使用　

汽油的摩托车相比，排放的Ｃ０２可减少约４５％。　

安徽理工大学承担的淮南市千瓦级沼气燃　

料电池研制国际合作项目已经通过安徽科技厅　

验收。千瓦级沼气燃料电池的研制项目以国产　ｆｙｐａ一１０５０型质子交换膜的热稳定性为研究对　

象，采用热重分析等方法，开展了质子交换膜　

在空气中的热分解动力学和燃料电池用质子交　

换膜在氦气中的热分解动力学研究。研究人员　

开发了一种用于甲烷蒸汽重整制氢的复合催化　

剂，采用复合催化剂制氢技术，在５００摄氏度　

以下的条件下，使甲烷转化率接近１００％。该技　

术已经申请了国家专利。此外，他们开发的内　

热式甲烷蒸汽重整制氢反应器，也在项目实施　

中进行了成功应用　

三、沼气理化特性　

沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还　

原条件），并在适宜的温度、湿度下，经过微　

生物的发酵作用产生的～种可燃烧气体。　

沼气的主要成分是甲烷。沼气由５０％￣８０％　

甲烷（ＣＨ　）、２Ｏ％～４０％二氧化碳（ＣＯ２）、Ｏ％～５％　

氮气（Ｎ　）、小于１％的氢气（Ｈ　）、小于０．４％的氧　

气（０２）与０．１％～３％硫化氢（Ｈ　Ｓ）等气体组成。由　

于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其　

特性与天然气相似。空气中如含有８．６～２０．８％　

氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析

摘要：在全球气候变暖的背景下，面对石油危机、气候危机和环境危机等问题，世界各国开始把目光投向清洁能源。氢燃料电池技术由此应运而生，并成为大家热议的对象。氢燃料电池技术以其高效、零排量的特点，被认为是未来新能源汽车发展的重要方向之一。

关键词：氢燃料电池；应用现状；发展趋势

在新常态背景下，氢能可能成为下一代的基础能源。国内外对氢燃料电池技术的研究已取得了很大的成就，但若要全面应用氢燃料电池还需不断努力。氢燃料电池有着广泛的应用，可缓解环境污染问题，因此，需不断完善及发展该项技术。本文重点论述了氢燃料电池技术应用现状及其发展趋势。

一、氢燃料电池工作原理

氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其单体结构主要由阳极、阴极、质子交换膜和双极板组成，其中阳极为氢电极，阴极为氧电极，两电极间是电解质。氢燃料电池的工作原理见图1，其中燃料是指氢气，反应物质(氢气、氧气)在电化学反应过程中不断被消耗，从而产生电能。

二、氢燃料电池的优势 1、能量转换效率高，绿色无污染。燃料电池通过电化学反应，不是采用燃烧(柴、汽油)或储能(蓄电池)方式，燃料电池只会产生水、热与电能，对环境无污染。若制氢过程是通过可再生能源产生的，整个循环过程就是彻底的不产生有害物质。

2、无振动、噪声低。根据燃料电池的工作原理可知，只要燃料和催化剂从外部不断地输入，燃料电池即可不断地发出电能，其使用寿命远高于普通原电池和充电电池。因无往复和回转运动的机械结构，所以燃料电池运行时震动小，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交流的水平。另外，在整个工作中无噪声与机械振动，减少了机械器件的相互磨擦，从而在一定程度上延长了使用寿命。

3、制氢原料多，能源补充快。燃料电池所使用的氢气来源广泛，自然界中氢大量存储在水中，可采用水电解制氢；也可从可再生能源中获得，可用天然气、甲醇、汽油及再生能源等。燃料电池所需燃料主要是氢气，充气或更换氢气瓶一般只需几分钟，比纯电动汽车的蓄电池充电时间短。

2019年第1期新型燃料电池技术

氢是一种替代燃料，按重量计算，它的能量含

量很高。它大量储存在水、碳氢化合物和其他有机

物中。氢可以从多种多样的资源中产生，包括化石

燃料、生物质和水电解，以及风能、太阳能或电网电

力。氢气的环境影响和能源效率取决于它是如何

产生的。氢和燃料电池可以广泛应用。由于燃料

电池可以独立于电网，因此对于数据中心、电信塔、

医院、应急响应系统甚至国防军事应用等关键负载

功能来说，它们也是一个有吸引力的选择。燃料电

池与电池类似，它们不是燃烧产生电能。与今天的

汽油车类似，燃料电池电动汽车在一箱氢燃料上的

行驶里程可以超过300英里。他们可以在几分钟内

补充燃料，而且加燃料体验几乎和加油站一样。由

于发动机(即燃料电池)没有移动部件，永远不需要

换润滑油。

1氢燃料电池技术未来的可持续性[1]

Kumar讨论了一些关键的能源、环境和可持续性

问题，以及氢和燃料电池技术作为这些问题的潜在解

决方案之一的作用。氢是一种特别吸引人的运输燃

料。它是产生污染最少的燃料，可以在任何有水和清

洁电力的地方生产。用太阳能电解水或可再生生物

质气化制氢，然后用于燃料电池电动汽车(FCEV)的燃

料循环将产生很少或根本不会产生局部的、区域的或

全球污染。氢燃料电池汽车将结合电池动力电动汽

车(BPEVS)的最佳特性—零排放、高效、安静运行、长

寿命—内燃发动机汽车(ICEVs)的长距离和快速加油

时间。如果燃料电池技术如预期的那样发展，那么氢

燃料电池汽车将和太阳能电池汽车有一个重大的进

步，它们将比氢燃料电池汽车更清洁和更高效，比氢

燃料电池汽车有更短的加油时间和更低的生命周期

成本。作者将揭示用燃料电池取代现有发电源的可

能性。

燃料电池的类型主要取决于它们所使用的电解

质的类型。而电解液的类型又决定了操作温度，不同

类型的操作温度差别很大。高温燃料电池的工作温

度在1100华氏度(600摄氏度)以上，这些高温使得轻

烃燃料(如甲烷)在有水存在的情况下自发地内部转化为氢和碳。