燃料电池船的推进能研究？燃料电池有怎样的发展历程

一、氢氧燃料电池是什么原理使其自发的

简单地说，燃料电池(Fuel Cell)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”。燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。

[编辑本段]燃料电池的特点

燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：

（1）能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。

（3）燃料适用范围广

（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适

（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频燃料电池原理率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

[编辑本段]“燃料”和“电池”

为了了解它的价值，让我们分别研究一下“燃料”和“电池”这两个词。

为了利用煤或者石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而，燃料非常便宜，虽有这种浪费，也不妨碍我们生产大量的电力，而无需昂贵的费用。还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花成本费数十亿美元。

燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。

目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）、磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）、固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）、固体聚合物燃料电池（Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜燃料电池，Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）、及生物燃料电池（BEFC）。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373K(100℃)的为常温燃料电池，如SPFC；工作温度在373K(100℃)～573K(300℃)之间的为中温燃料电池，如PAFC；工作温度在873K(600℃)以上的为高温燃料电池，如MCFC和SOFC。

燃料电池实质上是以控制氢弹爆炸的观念设计，太空船上的燃料电池是用来聚集星际旅行之间的氢气所产生的能量之用。太空船的太阳能板所聚集的电磁和太阳能将会转换成电能，而电能会用来慢慢地将存放在燃料电池内的氢置换成燃料。燃料电池也内含了一小部份受控制量的可进行核分裂的物质，这些物质依序用来与氢核进行核反应。核反应在燃料电池内进行，在太空旅程中提供高能量并加速离子引擎来推进太空船。在最后的旅程阶段，燃料电池提供了燃料火箭动力所需的氢。这整个过程受控在强大的电磁下，它能提供能量并且避免过量的能量外泄导致反应炉核心融毁。核反应的一项副产物——热能，则被燃料电池的外壁吸收并转换成供给电脑、维生系统和其他必要功用的电能。

经过多年的探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。

世界上最小的燃料电池——直径只有3毫米

美国科学家最近研制出世界上最小的燃料电池，这种电池的直径只有3毫米，可以产生0.7伏的电压并能持续供电30个小时，这种燃料电池可以在不消耗电的情况下发电，它由四个部分组成。上一层是储水池，下层是一个装有金属氢化物的燃料堂，中间以一层薄膜隔开，在金属氢化物的燃料堂下放，还有一组电极。薄膜上还有许多小孔，使得储水池中的水分子可以以水蒸气的形式进入燃料堂，水分子进入燃料堂后，与金属氢化物发生生化学反应幷产生氢气。氢气随之会充满整个燃料堂，幷向上冲击薄膜。阻止水流继续流入，然后氢气会在燃料堂下层的电极处发生化学反应，形成电流。

新电池体积非常的小，规模为 3x3x1毫米。而且没有重力。其表现张力可以控制水流，这意味着即使处于移动的旋转状态下，也能够很好的工作。因此它最适用于一些小电器。现在，这种电池可以产生0.7伏电压和一毫安电流，电燃料可以持续30小时左右。

[编辑本段]燃料电池的发明

虽然燃料电池这个名词出现在人们眼前的时间并不长，但它的历史已经可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer两位化学家想用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置，“燃料电池”一词也就随着他们的发明而诞生了。现代燃料电池技术兴起于20世纪60年代，为了给航天飞机寻找高效能的电能装置，美国宇航局跟GE公司合作开发了第一个现代意义上的燃料电池—质子交换膜燃料电池，这也是燃料电池商用化的开始。此后，历经40多年的发展，燃料电池的家族越发的人丁兴旺，而应用领域也遍及各处。

[编辑本段]中国燃料电池技术的发展现状

中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究。中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。中国政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出百瓦级-30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。

在当今全球能源紧张、油价高涨的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显，清洁、高效，因此得到各国政府的大力支持，加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。

尽管现在燃料电池的市场需求相当小，预计在随后的十年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。现在对于便携式燃料电池的需求相当少，但便携式燃料电池市场将是从现在到2011年甚至更长时间增长最快的市场。应用于消费电子产品的燃料电池系统在最近几年中就会商业化。

[编辑本段]燃料电池技术分类

燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下：

1.按燃料电池的运行机理分。

分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。

因此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。

3.按燃料类型分。

有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器"重整"为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。

4.按燃料电池工作温度分。

有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200～750℃；高温型，温度高于750℃。

在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生"中毒"现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。

另一类是在高温（600～1000℃）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。

最实用的燃料电池是以氢或含富氢的气体燃料，但是在自然界是不能直接获得氢的，燃料电池氢的；来源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼气、天然气、石脑油和煤气中，经过重整、裂解等化学处理后来制取含富氢的气体燃料。氧化剂则采用氧气或空气，最常见的是用空气作为氧化剂。

二、怎么看待500千瓦船用氢燃料电池系统被研制出来

据中国科技日报12月3日消息报道，中国船舶第712研究所发布了拥有自主知识产权的首款500千瓦级，船用氢燃料电池系统。

据悉，这台系统由船用燃料电池发电模块、燃料电池监控装置和有机液体制氢装置组成，整套系统不会有任何的污染和排放，而且有相当高的制氢效率。携带的每一公升有机液体，可以制造50~80克的氢，此外还拥有非常良好的可靠性和补给便捷性。据悉这款氢燃料电池可以广泛的用于各种水面船只上，大到豪华游轮小到游船都可以使用。虽然这款氢燃料电池的设计初衷是为了民用，但是不可否认的是它具有相当强的军事应用背景，毫不夸张的说，氢燃料电池是潜艇能够成功隐身的重要功臣。

目前世界上一般的常规动力潜艇都是在水面航行时使用柴油发动机为动力，同时给蓄电池充电，在水下航行则用蓄电池提供动力。因此时不时就要浮出水面吸入空气让柴油发动机运作，潜艇上浮让柴油发动机工作的时间就是最容易暴露的时刻。为了保证隐蔽性，潜艇最好是增加在水下航行的时间，避免浮出水面，这就促使了不依赖空气推进系统（AIP）的产生。

目前各国先进的常规潜艇基本都装备了，AIP系统这种系统可以使常规潜艇无需从空气中获取氧气，就能有足够的动力。目前世界上前景使用的AIP技术主要有3种，分别是闭式循环柴油机、斯特林发动机和燃料电池。这3种技术中，闭式循环柴油机的工作效率较低，而且柴油机本身的噪音和空气噪音较大。而斯特林发动机的可靠性较低，工作效率也仅为35%，此外虽然它的噪声更小，但还是有一定的噪音。

而燃料电池则有最高的效率，最高可以达到60%，同时不产生废气和污染物，噪声也是最小的。因此从技术上说，燃料电池最适合用于AIP常规潜艇。先进的东西往往不那么容易获得，燃料电池有很高的技术要求。其最大的一个技术限制，就是需要大量的氢，氢的储存和运输非常困难，由于其易燃易爆，具有非常大的危险性。

因此发展燃料电池潜艇的思路，主要是研究如何安全地储存氢。不过这一次中国研究人员携带船用液体制氢装置和用于制造氢气的有机液体的设计，这确实是别出心裁的。这样的设计使得潜艇不需要携带大量的储备氢而是自己制作，这就绕开了如何储存大量氢气的技术难关。

此前国际上使用燃料电池为潜艇AIP系统的主要为德国的常规潜艇，而他们的AIP系统功率大概在200~300KW左右。由此可见，驱动3000吨级左右的常规潜艇，500千瓦的氢燃料电池是完全足够的。由于氢燃料电池对比其他AIP系统的显著优点，这种大功率的燃料电池研究成功之后，势必会对发展新型常规潜艇有大有益处。

三、燃料电池有怎样的发展历程

回顾燃料电池的发展历程，也是既古老又年轻，既坎坷又迅速。这种先进的发电技术原理，早在19世纪前半叶就由英国科学家格劳勃发明了，但由于技术和经济原因，长期未能应用于实际。到本世纪60年代，随着航天技术发展的需要，为解决其电源问题而开发应用了这种发电技术，才由美国公司研制成功，随后就首先随阿波罗登月船上了月球。与此同时，1967美国煤气公司还制订了燃料电池民用计划，开始进行研究开发。随后，日本、欧洲一些国家也参与了这项高技术的研究工作。

近20年来，美、日对燃料电池的发展都很重视。投入研究与发展经费大、进展快，效果好。

美国是发展燃料电池最快的国家，到1990年时已有23台燃料电池机组在运行，总装机容量已达11万千瓦。美国发展燃料电池的技术重点是提高燃料利用率，降低燃料电池的生产费用和发电成本，并注重多途径开发技术。

1990年初，美国贝尔实验室采用制造半导体所用的类似技术研制成功了微芯片式燃料电池，它能将混合气体（煤气）做燃料直接转化成电，每公斤煤气可发电1千瓦。这种燃料电池是由一个不到5000亿分之一米厚的可渗透煤气的氧化铝薄膜夹在两个薄铂片之间组成。其优点是重量轻，成本低，充电方便，只需更换煤气胶囊。可取代目前使用的蓄电池和便携式发电器。美国西屋公司已建成磷酸型1500千瓦级的燃料电池电站，现正建造7500千瓦级的新电站。美国还开发成功3千瓦固体燃料电池，正在研制25千瓦级固体电池。

美国能源部最近又研制成功一种陶瓷燃料电池，这种电池是将液体或气体燃料放在两块波纹状陶瓷片里面，使燃料同氧化剂直接进行化学反应获得电能，因而它可不需要一般燃料电池所需的燃料箱。它同其他燃料电池相比，释放的功率高2倍，发电效率已达55%～60%。

日本对燃料电池的开发也比较早，从1961年日本富士电机公司开始研制，到1972年制成10千瓦的碱性电池，1973年又转入磷酸型电池开发，发展也很快。80年代初，日本就将发展燃料电池列入“月光计划”，1986年起在某些地区就已推广燃料电池发电。1991年5月12日，日本东京电力公司在千叶县五井发电厂成功地建成了目前世界上最大功率的磷酸型燃料电池发电装置，输出功率达1.1万千瓦。发电效率为41%。该燃料电池为磷酸水冷式，属第一代产品。据估算，这套燃料电池组进入实用阶段后，至少可满足5000户民用住宅的电力需求，因此，有人把它视为燃料电池步入商业化的第一步，具有较高开发价值。

1989年日本已建成200千瓦的这类电站，正着手建造4500千瓦级的电站。

第二代燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池，也已进入工业试验阶段。日本已在30千瓦级水平上获得了成功。第三代燃料电池是固体电解质燃料电池，日本已在1千瓦级水平上试验成功。1991年末，日本各电力公司和城市燃气公司在大阪组成了磷酸型燃料电池发电技术研究合作社，计划在1991年底前建成功率为5000千瓦和1000千瓦的新型燃料电池，1992年，日、美又决定联合共同研制燃料电池，是以气化煤作燃料的加高压反应的类型，目标是在21世纪初，使30万千瓦级电池达到实用化。

日本政府已在实施一项长期的推进燃料电池计划，要在20世纪90年代初在商业区、医院、体育场所等部门大面积地使用燃料电池；90年代中、后期，在工业企业推广；21世纪初达到全国发电总量的13%，使燃料电池成为未来的重要新能源。目前正在筹建5000千瓦级燃料电池电站，能连续运行8000小时，动力效率为40%，混合热效率80%，预计2005年，日本将有1000万千瓦的燃料电池广泛应用于各个领域。

90年代初，日本还开始研制一种超微型“生物燃料电池”，它的原理同以氢为燃料的电池一样，但它是以人的血液中的葡萄糖为主要燃料的。它的主要用途是为人造胰脏器官提供动力，将其埋藏于病人体内。它可产生的最高电压估计为1.1伏特，电流强度为0.1安培。

专家们预测，随着燃料电池发电技术的进一步突破，作为新型电源供应系统，到21世纪中期，有可能取代火力发电，形成强大的燃料电池发电网络，成为重要的二次能源。