太阳能燃料电池（中学化学201212）.doc

发表期刊：《中学化学》 2011年第12期
简说太阳能燃料电池
湖北襄樊东风中学 441004 但世辉 陈莉莉

进入21世纪，环境污染和能源短缺是人类亟待解决的两大难题。因此，对清洁可再生能源的开发和利用越来越受到世界各国的广泛重视。2010年7月，美国能源部向美国加州理工学院的刘易斯教授所领导的一个研究团队提供了为期5年总额达1.22亿美元的资助，主要用于研究一种新型能源技术：太阳能燃料电池技术，这也是美国能源部优先资助的3个新能源研究项目之一。

一、太阳能燃料电池的工作原理
白天
夜晚
负载
太阳能
电池
电解槽

燃料电池

图1 太阳能燃料电池工作示意图
太阳能燃料电池主要由太阳能电池、电解槽、燃料电池等组成（图1），各部件具体功能如下：
太阳能电池：作为太阳能燃料电池的核心
部分，其作用是将太阳能直接转化成电能，用
于负载运行，多余电能供给电解槽电解水得到
氢气和氧气。
电解槽：其作用是将获得的电能转换为化学
能。在催化剂和直流电的作用下，水分子在阳极
失去电子，被分解为氧气和氢离子，氢离子通过
电解质和隔膜到达阴极，与电子结合生成氢气，储存在氢气瓶中。
燃料电池：从电解槽获取的氢气在负极释放电子生成氢离子，氢离子通过电解质在正极得到电子与氧气结合生成水，电子的定向移动产生电流。燃料电池的主要作用是作为太阳能燃料电池的备用电源。一般采用质子交换膜燃料电池。
就太阳能燃料电池的发电方式而言，其运行方式有两种：当日照充足时，太阳能电池以满功率发电。由于白天用电负荷轻，太阳能电池多余电能便可分配给电解槽用于电解水，制出的氢气储存在氢气瓶中，在夜晚或阴天无日照时燃料电池利用储存的氢气进行二次发电，供用户使用；当日照不足，太阳能电池发出的电能不能满足负载需求时，启用燃料电池和太阳能电池同时发电，一起为负载供电。

二、太阳能燃料电池的技术瓶颈
1.太阳能电池的生产成本和转换效率
自从1954年第一块实用太阳能电池问世以来，虽然太阳能电池取得了长足的发展，但仍然面临着生产成本过高和光电转换效率较低的两大难题。多晶硅为太阳能电池的主要原料，每生产1MW太阳能电池，大约需要15吨左右的多晶硅。根据我国工程院的调查，2005年，我国对多晶硅的需求为3800吨，其中太阳能产业需求2690吨，缺口更大。如此大的缺口导致了多晶硅的价格居高不下，也致使太阳能电池的生产成本较高，不便于广泛普及。
另外，虽然经历了近60年的发展，太阳能电池的光电转换效率由最初的6%提高到了目前的20%左右，但距离科学家心中理想的效率值仍有很大差距。因此，最大限度地提高太阳能光电转换效率是太阳能燃料电池急需解决的重要问题之一。假如随着科技的发展，太阳能电池的转换效率有了更大的提升，那时需要解决的问题便会转移至太阳能电池的输出功率上，只有控制好太阳能电池的最大输出功率才能获得更多的电能。但目前的困难在于：太阳能电池的输出功率与日照强度和环境温度密切相关，当环境温度一定时，日照强度增大，输出功率也随之增大；当日照强度一定时，环境温度增大，输出功率减小。但是，由于日照强度增大时，温度也会随之升高，这就使得太阳能电池的最大输出功率变得难以跟踪，也就很难发挥出太阳能电池的最大功效。
2.电解槽中催化剂的价格
目前使用较多的电解槽为质子交换膜电解槽，这种电解槽可以90%的效率连续工作超过4000小时。目前面临的困难在于，这种电解槽必须使用铂电极作催化剂，虽然铂是目前催化水分解反应最好的材料，但它的价格却高达每克350元人民币。因此，寻找价格低廉且高效的催化剂成为太阳能燃料电池急需解决的另一重大难题。
2008年，美国麻省理工学院的诺切拉教授和一位同事无意中发现，由磷和钴构成的一种廉价材料能够催化产生氧气，这是水分解反应的一个必要步骤。对于其反应机理，诺切拉教授认为是带正电荷的钴离子从水中的氢原子中夺走了电子，同时释放了氧。尤为重要的是钴和磷是两种既便宜又丰富的元素，假如用其替换金属铂，那么太阳能燃料电池的生产成本将会大大降低。
此外太阳能燃料电池进行联合发电还存在的技术难点在于：太阳能光伏发电内在的间歇问题会给整个发电系统带来较大的波动和控制难题。因此如何有效地将燃料电池与光伏系统结合，消除光伏系统所产生的波动影响成为发电系统的关键所在。同时，如何延长使用寿命、简化装置、提高装置可靠性、保障系统安全持续运行等问题也是今后的发展方向。

三、太阳能燃料电池与其它电池的优势比较
虽然太阳能燃料电池尚未得到大面积的推广使用，但相比其它已经民用化的电池而言其理论上的优势还是显而易见的（表1）。
表1 太阳能燃料电池与部分民用电池的优势比较
类别
太阳能电池
氢氧燃料电池
太阳能燃料电池
原料
太阳光
需制取H2和O2
太阳光和电解槽中自动产生的H2和O2
操作
较简单
需要引燃，启动时间较长（2h~4h）
自动化程度高，可实现无人操作
环保
无污染
无污染
无污染、无噪声、零排放
使用范围
近空间等有阳光处
不受天气影响
不受天气影响，有无阳光均可发电
使用寿命
1~5年
数月
10年左右
除了以上简单对比之外，太阳能燃料电池在发电质量上也有其独特优势。其发电质量高，负载有变动时能很快响应，没有空耗，只有在用户需要时才会消耗电能，更加节能。

四、太阳能燃料电池的应用及展望
太阳能燃料电池具有储能密度高、使用寿命长以及没有污染等特点，特别适用于一些特殊应用领域和边远无电地区民用生活的用电需求，例如微波中继站、部队通讯系统、水闸、小型户用系统和村庄供电系统等。
目前，在美国、欧洲、日本等地已将太阳能燃料电池推入实用化阶段，初步实现了产业化的布局。
日本东京的多摩川大学研究团队已研制出了以太阳能燃料电池为动力的汽车。该车在太阳能驱动的基础上增加燃料电池单元，能够以110km/h的速度行驶。白天使用太阳能电池驱动，直接将太阳能转换为电能供发电机运作；晚上和阴天时换用燃料电池，采用氢作能源。这种生态环保汽车完全使用太阳能和氢能驱动，被称作Apollodine（意为太阳能和水）新型汽车。
美国多家公司合作于1999年6月安装了太阳能燃料电池进行联合发电，该电池系统位于美国加利福利亚的科尔比中心野营地。电池从1999年6月到2001年6月可靠运行两年。其中，在2001年9月2日至9月15日的13天时间里，太阳能电池光电转换效率达到89%。燃料电池转换效率也达到了42%。
德国巴伐利亚电力公司于1986年与西门子等公司联合实施了为期15年的太阳能燃料电池技术示范工程。该工程选在巴伐利亚州东北部的纳斯堡市，太阳能电池的总功率为276.6w，燃料电池的最大输出功率也可达到80kw。
虽然目前太阳能燃料电池的发展遇到了一些技术瓶颈，但随着关键技术的不断完善，太阳能燃料电池的性能将不断提高，高效清洁的太阳能燃料电池发电系统必将呈现更加光明的发展前景。