燃料电池在摩托车的应用详解　

开发燃料电池摩托车，实际上是对其核心技术——燃料电池的研发。氢气是唯一在燃料电池中直接应用的燃料，但是自然界中并没有氢气资源，只能从其它能源如天然气、液化石油气、汽油、柴油、煤、生物质及醇类中，用各种途径生产出来。但也不是所有途径都可行，其成本也不低。尤为重要的是至今还无法突破技术瓶颈，其燃料液态氢的制取、存储、运输和添加是天大的难题。因此，寻求能够替代氢气直接用于燃料电池的其它燃料，从而降低燃料电池系统的体积和造价，是燃料电池摩托车研究的重点。试验证实，甲醇是目前较为理想的替代燃料。因为，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最简单的液体有机化合物，在市场上有完整的销售网络，贮存安全、携带方便。同时，由于摩托车的功率只须1.5～3kw，将直接甲醇燃料电池用在摩托车上是完全可能的。因此，人们对直接甲醇燃料电池非常感兴趣。　　 

直接甲醇燃料电池不需甲醇重整而直接作为燃料。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，氢再与氧反应。在电极上的这些反应如下：　

 

阳极反应：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- 

　　阴极反应：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O 

　　电池反应：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O　　

 

这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见拙。　　

 

目前，直接甲醇燃料电池技术已经获得突破。我国在中科院“九五”重大应用发展项目和吉林省应用发展项目的支持下，长春应化所在国内率先开展了“直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术”项目的研究工作。2000年该项目在直接甲醇燃料电池阳极催化剂方面的研究工作成效显著。日前，由长春应化所、北京科技大学、清华大学、北京工业大学、南京师范大学共同组成的国家“863”直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术项目组，在关键材料新型质子交换膜，阳极及阴极催化剂、电极/膜集合体、双极板等多方面研究取得进展的基础上，成功地组装成20W级的组合电池——10个单电池组合的电池堆。其单体电池性能为：在80℃～90℃下400mV时电流密度可达150mA/cm2～200mA/cm2；在中温时400mV下电流密度可达100mA/cm2～150mA/cm2，达到20世纪90年代末的国际水平，在国内处于领先地位。他们改进了直接甲醇燃料电池的关键材料——新型质子交换膜和催化剂，电池结构采用电路串联、物流并联的方式，催化剂中白金的含量进一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，电池寿命明显延长，最佳工作状态时电池堆发电电压2.0V，电流为10A，可以不间断地驱动许多电器设备运转。目前，该成果已申请6项中国发明专利，1项美国发明专利。

 

2004年初，日本雅马哈公司宣布成功试制出了配备直接甲醇式燃料电池（DMFC）的摩托车。现在，首批燃料电池摩托车正在雅马哈公司试验场进行试验，但是还要经过1年才能批量生产。关于燃料为何选择了甲醇而不是汽车制造商所用的氢，该公司表示：“由于氢燃料电池系统的重量和体积均较大，在摩托车上安装压缩氢油箱非常复杂和不安全，因此对于摩托车使用的功率不超过1kW的电池系统采用直接甲醇方式更好一些”。该车功率为500w，质量为20kg，最高速度为40km/h。燃料箱贮存浓度为50%的甲醇水溶液，在实际发电时，利用燃料电池发电反应所产生的水，把甲醇水溶液稀释到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可装5L甲醇）摩托车可行驶200km。今后雅马哈公司打算将摩托车质量减少到10kg，并给燃料电池附加一个锂离子蓄电池以改善启动和加速性能。