GENEPAX于2008年6月12日在大阪府议会会馆举行技术发布会,介绍了以水为燃料的燃料电池系统“WES:Water
Energy System”。该系统向燃料极供水,向空气极供空气即可发电,不排放CO2。

当前,新能源动力电池主要分锂电池和燃料电池两大类。蓄电池包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、锂电池、空气电池等,主流常见的是铅酸蓄电池和锂电池。燃料电池包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池。

Genepax
公司日前在大阪举行新闻发布会,展示了一种以水为燃料的全新燃料电池技术,称为
WES 水能系统 (Water Energy System) 。 Genepax 目前有 120 瓦和 300
瓦两种燃料电池,并将一套功率为 300 瓦的 WES 装进 Takeoka
微型汽车公司生产的 Reva 电动车,成功实现 1 升水行驶 1
小时的惊人成绩,并且速度还达到了 80 km/h 。

威尼斯城娱乐官方平台 1 图1:公开的试制车

锂电池和燃料电池的最大区别在于两者的工作本质不一样。锂电池是一个储能装置,通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放,它必须储能再放能,完全依赖于外部能量的供应,如果外部能量是非环保的,那么锂电也就是非环保的电力,因此就有了纯电动汽车只不过是污染的二次转移之说,因为其电能主要来自于以火力发电为主的电网。燃料电池无需储能,是一个电能生产装置,它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来,工作方式跟内燃机比较类似。换句话说,锂电池的能源转换为电能到化学能再到电能,而燃料电池则是直接将化学能转化成电能。从能源转化的角度,燃料电池无疑是相对锂电池更高级的发展层次。

据 Genepax
公司介绍,“只要你能添加水,燃料电池就能提供电能,汽车就能跑起来,而且雨水、河水,甚至海水都没有问题。
WES
水能系统能自动从水中分解出氢气,不排放二氧化碳等任何有害气体。”传统氢动力燃料电池对于氢气的储存一直是一个棘手的问题,因为要有效减少氢储存装置的体积需要以液态方式保存氢,这就需要将温度降低到零下
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摄氏度,提供非常高的压力或者降温加压两种方法同时采用。常温下的氢储存装置需要承受极高的压力,不得不造得非常笨重。

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图2:120W燃料电池系统

蓄电池

但按照 Genepax 公司的介绍, WES
水能系统能直接产生氢气,所以不再需要储存,直接从水里面分解。那么是怎么将水里面的氢气分解出来的呢?是利用传统的电解方法吗?当然不是。
WES 的基本发电原理与普通氢动力燃料电池没有两样,但是该公司拥有一套称为
MEA(Membrane Electrode Assembly) 的薄膜电极技术。 Genepax
公司并没有介绍详细 MEA
的技术细节,但他们表示这种技术的效率是目前为止最先进的,比现有技术的效率更高,成本也更低,能让水产生更多的氢。据业界专家估计这项技术是利用类似碱金属的物质与水反应产生金属氢化物和氢气,技术的关键是能长时间持续可控的产生氢气。

基本发电原理与以氢为燃料的燃料电池相同。只是该公司的MEA的最大特点是含有能够使水分解为氢和氧的物质。虽未透露详情,但该公司称:“MEA巧妙地采用了众所周知的由水获得氢的方式”(GENEPAX董事长社长平泽洁)。原理接近金属氢化物与水反应生成氢,但特点是能够长时间持续从水中产生氢。

铅酸蓄电池

Genepax 在发布会上展示了 120
瓦额定功率的燃料电池组。在演示时,先用电池带动水泵供水然后关闭水泵,燃料电池组接着就能产生
25 伏到 30 伏的电压,成功为电视机和照明设备供电。该燃料电池组共有 40
个单格组成,每个单格的电压约为 0.6 伏,功率约为 3
瓦,电池组为长方体,横截面为边长为 10 厘米的正方形。 Genepax
正在试制功率为千瓦等级的电池系统,不仅用于驱动电动汽车,还可以作为住宅临时供电设备等。据介绍,功率为
1 千瓦的这种电池组成本约为 200 万日元 ( 约折合人民币 12.8 万 )
,但大批量生产之后能将成本降低到 50 万日元 ( 约折合人民币 3.2 万 ) ,
Genepax 认为这项技术在批量投产后能媲美太阳能电池。

因此,电池单元只需供水和空气,无需氢改质器和高压氢罐。而且,MEA不仅没有使用特殊催化剂,白金等稀有金属的使用量也与以往的燃料电池系统基本相同。

铅酸蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液,常见的铅酸蓄电池分三类:普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池。铅酸蓄电池的发展历史长久,具有供电电压稳定、价格便宜的优点。但是相比于锂电池,铅酸蓄电池有着能量密度低,使用寿命短,充电时间长,体积大等缺点。此外,铅酸蓄电池中存在着大量的铅,在废弃后若处理不当,将对环境产生污染。

公司在发布会上极力宣传加水就能放电这个事实,但并不是仅靠水就产生了氢气,然后氢气又同氧气反应生成水产生了电能。其中肯定有物质在消耗,否则就违反了我们的能量守恒定律和热力学定律,成了可笑的永动机,如果如专家估计是使用了类似碱金属的物质,那么碱金属的获得以及反应后产生的化合物也成为环保问题,所以这项技术并没有想象中的那么美好,听起来这个电池更像是一次性电池,还是等待公司更详细的技术说明吧。

威尼斯城娱乐官方平台,除此之外,不同于以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池,该燃料电池不产生CO2,因此燃料极不会发生由CO导致的催化剂劣化,有望延长寿命。在寿命方面,系统从试制完成有1年,今后还需继续积累数据。

锂离子电池

发布会展示了额定功率分别为120W和300W的燃料电池组和燃料电池系统。在120W燃料电池组的演示中,电池组最初由干电池泵供水,开始发电后泵关闭,为无源型工作。发电时燃料电池组的电压为25~30V。从燃料电池组为40个单元串联推测,1个单元的功率为3W以上,电压为0.5~0.7V左右,电流为6~7A左右。从单元反应部分为10cm×10cm推测,功率密度为30mW/cm2以上。

常见的锂离子电池有三类,分别是磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元锂电池。可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等数码产品中应用最广泛的电池。
相比于铅酸蓄电池,锂离子电池具有能量密度大,重量轻,使用寿命长,充放电效率高等优点,是作为电动汽车动力电源的选择之一。但是,锂电池的制造成本高,充电要求很高,要保证终止电压精度在±1%之内,在使用过程中不可过充、过放,会损坏电池的容量及寿命。

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图3:120W燃料电池系统的内部

燃料电池

另一方面,300W燃料电池系统是有源型,用泵供应水和空气。在演示中,除了为铅蓄电池充电,向电视和灯具供电外,工作人员还在武冈汽车工艺的小型电动汽车“Reva”的行李舱中安装300W燃料电池系统,将其作为电源进行了驾驶。该公司预定实际采用500W系统,但MEA材料的开发尚未完成,因此代之以300W燃料电池组。

碱性燃料电池

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图4:在行李舱中安装300W发电系统

与其它燃料电池相比,AFC功率密度和比功率较高,性能可靠。但它要以纯氢做燃料,纯氧做氧化剂,必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂,价格昂贵。电解质的腐蚀严重,寿命较短,这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用,不适合于民用。

就今后的发展,GENEPAX表示希望向电动汽车和家庭等供应1kW级发电系统。对电动汽车,设想该发电系统将不单独用于驱动,而是作为发电机,为电动汽车的电池充电。成本目前为200万日元左右,实现量产后,1kW可降低至50万日元以下。该公司表示,如果这一制造成本能实现,就能够与家用太阳能电池系统展开竞争。

磷酸燃料电池

以磷酸做为电解质,可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行,燃料气和空气的处理系统大大简化,加压运行时,可组成热电联产。但是,PAFC的发电效率目前仅能达到40%一45%,它需要贵金属铂做电催化剂;燃料必须外重整:而且,燃料气中C0的浓度必须小于1%一2%,否则会使催化剂中毒;酸性电解液的腐蚀作用,使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟,产品也进入商业化,做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源,PAFC还有市场,但用作大容量集中发电站比较困难。

熔融碳酸盐燃料电池

在650℃一700℃运行,可采用镍做电催化剂,而不必使用贵重金属:燃料可实现内重整,使发电效率提高,系统简化;CO可直接用作燃料;余热的温度较高,可组成燃气/蒸汽联合循环,使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比,MCFC的优点是:操作温度较低,可使用价格较低的金属材料,电极、隔膜、双极板的制造工艺简单,密封和组装的技术难度相对较小,大容量化容易,造价较低。缺点是:必须配置C02循环系统;要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM;熔融碳酸盐具有腐蚀性,而且易挥发;与SOFC相比,寿命较短;组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比,MCFC的缺点是启动时间较长,不适合作备用电源。MCFC己接近商业化,示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看,MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。

固体氧化物燃料电池

电解质是固体,可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比,SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题,电池的寿命较长(达到70000h以上)。CO可做为燃料,使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右,燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高,要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比,SOFC的启动时间较长,不适合作应急电源。与MCFC相比,SOFC组成联合循环的效率更高,寿命更长(可大于40000h);但SOFC面临技术难度较大,价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一,既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW),也可用作大容量的中心电站。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范,将使SOFC的优越性进一步得到体现。

质子交换膜燃料电池

PEMPC的运行温度较低,它的启动时间很短,在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比,电流密度和比功率都较高,发电效率也较高(45%一50%,对CO的容许值较高。PEMFC的余热温度较低,热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比,它具有寿命长,运行可靠的特点。PEMFC是理想的可移动电源,是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前,在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场,不适合做大容量中心电站。

直接甲醇燃料电池

DMFC是直接以甲醇为原料,甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢,如同标准的质子交换膜燃料电池一样,氢然后再与氧反应。直接甲醇燃料电池的优势在于燃料的使用便利,清洁环保,没有氢气压储运用的难题,缺点是目前质子交换膜的甲醇透过严重,造成燃料浪费,机器的性能衰减快。

水氢燃料电池

AHFC是一种特殊的PEMFC,它在原有的PEMFC技术上增加了制氢系统。制氢系统采用小型甲醇重整制氢技术,甲醇作为制取氢气的储能原料,氢气因需而产,即产即用。制氢系统的运行温度在200~400℃左右,依目前的技术水平,AHFC的冷启动时间约30分钟。因为增加了制氢系统,发电效率相比于PEMFC会相对低一点,但整体上已经可以达到35%-45%的能效。虽然AHFC增加了制氢模块,但相对的,也解决了氢气来源的问题。限制纯电动汽车、氢燃料电池汽车等新能源汽车发展的一个重大因素是,其电能/原料供给的限制。纯电动汽车存在充电时间长,充电桩设桩困难等问题,建设加氢站则需要氢气加压降压及储存等国际前沿技术的支撑,运营成本高,高压储氢罐也存在一定的安全忧患。AHFC以甲醇水溶液为原料,在实际的运输、储存、加注上可基本效仿汽、柴油的管理模式,为燃料电池汽车推广提供可行方案。

水氢燃料电池主要由若干个制氢单元、发电单元和控制单元集成组成。其工作原理是:以甲醇水为原料,在制氢系统中进行“汽化-催化重整-纯化”的反应制得高纯氢,高纯氢再通过发电系统进行电化学反应,将高纯氢的化学能转变为可供外界使用的电能。

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水氢燃料电池原理图

总结

虽然目前锂离子电池当前的产业和技术成熟度远高于燃料电池,但是燃料电池是高于锂电池一个层级的系统,是未来发展的终极方向。

传统的罐氢燃料电池路线的发展面临四大困境:1、氢气大规模生产、运输和加注过程的综合使用成本较高;2、终端加氢站的建设是政府层级的难题;3、氢气的大规模制备和用氢成本。尽管2015年、2016年丰田、本田先后发布了燃料电池汽车,量产化的燃料电池汽车,实际上是引爆了整个行业,但以上氢燃料电池面临的难点不得到解决,燃料电池汽车仍然难以推广。

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水氢燃料电池技术属于新型的氢能与燃料电池高度集成应用技术。其用氢方式从目前普遍的以罐氢为主转变为以甲醇水为主。甲醇水溶液在常温状况下是以液体形式存在,相比于氢气,更容易储存和运输。在水氢燃料电池工作的过程中,氢气作为中间产物存在,氢气即产即用,做到了“用氢不见氢”,避免了氢能使用上高压氢气的安全问题。

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