【摘要】沼气发电以其低排放、低污染、节约能源、废物资源再利用等优点而倍受各国政府的关注。开发沼气发电技术，尤其是沼气燃料电池技术，已经成为节能减排建设绿色环保工程的一项重要措施。沼气燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置。本文首先综述了车用燃料的发展以及优缺点，对汽油与燃料电池的不同特点进行了比较，简单分析了当前燃料电池的应用现状与发展趋势，其中对沼气燃料电池的工作原理进行认真分析，同时也对其应用现状与发展前景进行了概括总结。最后得出结论，沼气燃料电池将是常规能源的优良替代品，其中沼气燃料电池用于燃料电池汽车具有非常广阔的应用前景，将会为人类的环保节能贡献一份力量。
【关键词】新能源;沼气燃料电池;应用现状;发展趋势
能源是人类文明发展的原动力，能源也是衡量一个国家的经济发展与人民生活的重要指标。21世纪将是能源与环保的世纪。在这个世纪，有世界上三大能源之称的石油、天然气和煤等石化燃料即将被耗尽，同时由于这些燃料的低效“燃烧”使用，既浪费了资源，也造成了环境严重污染，给人类带来了众多灾难。据专家预测，到2100年全球平均气温也将至少升高0.5℃，海平面将上升11厘米以上，到2400年，已存在于大气中的温室气体成分及不断新排放的温室气体，又将导致全球平均气温额外升高2至6℃。这两个因素还会分别引起海平面每世纪上升10厘米和25厘米。因此，人们开始反思自己的行为，精心探索新能源，例如各种燃料电池的发展和电动汽车的研制成功，都是人类智慧的结晶。其中沼气燃料电池作为新能源的一种，它具有能量转化率高，环保，寿命长等特点，所以目前已经得到了应用，但是还没有普及，因而存在着巨大的潜力。
一、燃料电池汽车的特点
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒-克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划尽快将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：零排放或近似零排放，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，提高了发动机燃烧效率，运行平稳、无噪声。
二、沼气燃料电池的应用现状
沼气作为农村生活燃料已为人们所接受，沼气作为发动机燃料，直接驱动加工作业机具和发电机以代替石油，沼气发电在我国20世纪70年代就开始受到国家的重视，国内对此进行了长足的研究。目前国内已建成了好几座大型沼气发电工程，例如，浙江省最大的酒精生产厂——长征化工厂，建成了设计容量为1000千瓦的沼气发电站，发动机由天然气发动机改装而成，单机最大功率达450千瓦，既解决了酒糟液的处理问题，又生产了高质量的能源;安徽毫州市酒精厂系古井贡酒厂配套企业，现年产食用酒精1.5万吨，成为毫州市骨干企业，为改善淮河水系水质污染现状，1992年，安徽省计委批准本企业污水治理工程及沼气发电工程立项。该项目总投资300万元，沼气工程现日处理酒糟液400立方米，已于1994年9月投入运行。该厂沼气发电项目，每年可创效益114.8万元，其中直接经济效益94.8万元，三年半就可回收全部投资;国内许多大城市，如南京市、杭州市、深圳市都已建成垃圾处理厂沼气发电工程，这些工程的建立将大大改善城市居住环境，减轻城市污染，由废弃物产生的电能又缓解了城市的电力紧张问题。
日本卡西欧计算机公司成功开发一种世界最小的燃料电池，供笔记本电脑用，大小和现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8到16个小时。
日本雅马哈公司2005年11月宣布，已成功开发出以沼气为燃料的燃料电池摩托车‘FC-me’。这款摩托车已于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CO2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-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氮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一种可燃烧气体。
沼气的主要成分是甲烷。沼气由50%～80%甲烷（CH4）、20%～40%二氧化碳（CO2）、0%～5%氮气（N2）、小于1%的氢气（H2）、小于0.4%的氧气（O2）与0.1%～3%硫化氢（H2S）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%（按体积计）的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体。
沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800-23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。沼气作为一种新型可再生能源燃料，具有较高的热值，与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种性能优良的清洁燃料。它还具有以下特性：
（1）沼气燃烧速度低;它的速度为每秒0.2米，不到液化气的1/4、煤气的1/12。因为燃烧速度低，当气体流速大于速度时，沼气还没有来得及燃烧就逸出了，容易造成脱火。
（2）沼气燃烧空气混合比大，沼气在燃烧时需要大量空气，正常情况下，一份沼气需要5.7倍的空气，是液化气的四倍。同时它所需的空气量又分为一次空气和二次空气，一次空气是沼气燃烧前需要混合的空气，二次空气是沼气燃烧时由火焰周围大气所提供的空气。
（3）沼气的低压特性。沼气属低压范畴，国家标准规定，池压应低于10千帕。沼气压力分池压与灶前压力。不使用时，池内与管道内各处的压力是相等的;使用时，灶前压力小于池压，因为气体流动时，管道和管件有一定的阻力，从而产生压力损失。因此，输气距离应不超过30米。管路安装时，应该坚持近、直二个原则。
（4）沼气还具有较强的腐蚀性。硫化氢来源于发酵原料中的含硫化合物，是一种有毒气体，燃烧后生成二氧化硫会污染大气。同时硫化硫还会强烈腐蚀管路中的金属部件。
（5）沼气的燃点高，如液化气着火点仅为360℃，而沼气的着火点为650℃-700℃。
因此，鉴于沼气具有以上优点，证明其在新能源的研究与开发利用方面很有潜力，同时其利用前景也将非常广阔。
四、沼气燃料电池的工作原理
利用燃料电池发电，是国际上能源研究的一个热点。由于燃料电池的能量利用率高，对环境基本上不造成污染，目前国际上对燃料电池的研究投入了大量的人力、物力。
燃料电池是近年来技术发展进步最快的产业之一，它是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置。沼气燃料电池的工作原理和普通电池一样，是将物质的化学键能直接转化为电能的一种装置。在普通的电池中，用来提供化学键能的物质在使用一定时期以后，要么需要进行充电才能继续使用，要么则完全换新的。但是，只要向燃料电池的电极供给“燃料”和氧化剂，则燃料电池就可以连续地进行由化学键能向电能的直接转化。由燃料电池的工作原理图（如图）可见，燃料电池由阳极和阴极所组成，在阳极和阴极之间为导离子的电解质，根据电解质的不同而有不同类型的燃料电池。阳极和阴极都是用多孔的材料制成，以便燃料和氧化剂进行良好的接触。在阳极上，燃料气体被氢氧化物、氧化物和来自电解质的碳酸盐离子所氧化而生成H20、CO，并产生电子。如果在阳极和阴极间用导线连接，则电子就会从阳极流向阴极。在阴极上氧化剂被来自阳极的电子离子化，而生成氢氧化物、氧化物或碳酸盐离子，这些离子通过电解质由阴极流向阳极，从而形成了整个电流回路。
图1 燃料电池工作原理图
沼气燃料电池的反应方程式如下：
甲烷燃料电池、KOH溶液为电解质溶液
电极反应：负极：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极：2O2+4H2O+8e-=8OH-
电池总反应式：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+4H2O
五、沼气燃料电池汽车的美好时代
中国已成为继美国之后的第二大汽车市场，国内汽车需求仍在不断上升。与此同时，油价的持续上涨更进一步突出了能源的紧缺，中国对于开发新能源汽车的需要越来越紧迫。而国际上公认的促进可持续发展的道路移动性赛事首次移师发展中国家就选择在中国举行的必比登挑战赛，则为整个汽车行业发展清洁能源汽车提供了很好的平台。随着全球油价的不断上涨，以及机动车污染排放日益成为城市空气污染主要来源，清洁能源汽车已成为全球汽车工业的发展目标。然而清洁能源汽车究竟离我们还有多远？
2000年的第一轮燃料电池汽车试运行高潮过后，世界各国对燃料电池汽车的投入，已从建造示范汽车重新回到加强应用基础研究。因为科学家冷静地认识到，燃料电池汽车要走向商业化，必定是一场需要厚积薄发的“长跑”。2006年8月17日，是我国燃料电池汽车研制进程中一个特别的日子，由中科院大连化学物理研究所等自主研发的两辆燃料电池观光示范车，在大连市的星海广场投入了公交车的试运行，中国的燃料电池汽车又前进了重要的一步。“燃料电池汽车要真正走向商业化不是百米冲刺，而是厚积薄发的长跑。”中国工程院院士、大连化学物理研究所燃料电池工程中心总工程师衣宝廉，谈到燃料电池汽车的未来走向感慨地说，这是经过一连串的实验、试运行得出的结论。
燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。衣宝廉院士介绍，世界上第一轮燃料电池汽车研发高潮在2000年左右，当时，美国、欧洲和日本的各大汽车生产厂家，无不都在加紧开发燃料电池技术，企业界尤其是各大汽车生产厂家看到燃料电池巨大的市场潜力，纷纷投入巨资，组成联盟，进行燃料电池车的相关研究、试验与生产。各大汽车公司，包括奔驰、通用、丰田等都认为，到2004年燃料电池车将能够批量生产，实现产业化。戴姆勒—克莱斯勒甚至宣称，预计届时燃料电池汽车的售价将降至每台约1万8100美元。美国前能源部长佩耶1998年在接受《纽约时报》的采访时也作出自己的预测：燃料电池进入家庭、汽车和其他领域的步伐将比人们的想象要快得多。然而，事实却并非预料中的那么乐观。2003年7月，最早将燃料电池汽车投入商业运营之一的日本丰田汽车公司，召回了其出租的6辆燃料电池汽车，并宣布推迟另外6辆燃料电池汽车的租赁。原因是储存氢燃料的高压氢气罐，它在加注氢气时出现了泄漏。几乎与此同时，各个国家都在燃料电池汽车的试运行中，发现了一系列防不胜防、需要马上就解决的难题。目前，国际社会关于燃料电池汽车未来的预测是，“要达到产业化至少要到2015之后”。新能源汽车在中国能否走远，答案是肯定的。但是燃料电池汽车要真正走向商业化不是百米冲刺，而是厚积薄发的长跑。需要考虑的因素还比较多，比如，加快制定相关技术标准，出台对节能、环保汽车的税费减免和补贴措施，在基础设施建设上提供便利条件，支持商业化新能源汽车的引入等。
六、沼气燃料电池的发展前景
中国国土资源部总工程师张洪涛先生于2009年9月25日在北京介绍，中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰（又称天然气水合物）的环保新能源，预计十年左右能投入使用。在当天的新闻发布会上，张洪涛说，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。
可燃冰是水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的地球上尚未开发的最大新型能源。“可燃冰”是未来洁净的新能源。它的主要成分是甲烷分子与水分子。它的形成与海底石油、天然气的形成过程相仿，而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中，厌气性细菌把有机质分解，最后形成石油和天然气（石油气）。其中许多天然气又被包进水分子中，在海底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有个特殊性能，它和水可以在温度2～5摄氏度内结晶，这个结晶就是“可燃冰”，也常称为“甲烷水合物”。在常温常压下它会分解成水与甲烷，“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。沼气的成分和可燃冰的主要成分相同，因此沼气资源是非常丰富的。这为沼气燃料电池的研究与开发提供了物质保证，沼气燃料电池的各个优点也证明其应用前景非常广阔。据PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司预计，全球燃料电池市场到2015年将达到350亿美元。另据ABI公司的保守估计，到2020年燃料电池市场将达380亿美元。据SRI咨询公司预测，2015年燃料电池市场约50亿美元，到2020年预计市场价值将达到456亿美元。静止式燃料电池市场从2015年20亿美元增加到2020年100亿美元，便携式燃料电池2018年市场将达到250亿美元，汽车燃料电池市场将从2015年6亿美元增大到2020年100亿美元。因此，燃料电池的各种优点预示着沼气燃料电池的应用将成为市场的主流，同时沼气燃料电池汽车的发明也将给汽车行业带来新的曙光。作为电动汽车的动力电源，是沼气燃料电池最具吸引力的应用方向之一;随着人们对新能源的渴求，以及沼气燃料电池优点的凸显，相信沼气燃料电池的应用会越来越广泛，市场规模会越来越大。
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作者简介：
周伟（1979—），男，河南商城人，大学本科，副教授，主要研究方向：汽车运用。
朱浩燕（1982—），女，河南禹州人，大学本科，副教授，主要研究方向：计算机网络安全。