面对全球性的化石能源消耗殆尽和日益备受关注的环境保护问题，燃料电池技术以其高效和使用非化石燃料及零污染的特点，被称为21世纪最重要的环保型可再生的新能源，目前已经成为国际高新技术竞争中的热点，预计一场由燃料电池引起的人类社会能源革命已不十分遥远。
燃料电池是将化学能直接转变为电能的装置，在电池工作时，燃料和氧化剂分别被输送到电池两极，发生氧化还原反应，通过外电路输出电能。与火力发电相比，关键的区别是燃料电池的能量转变过程是直接方式，不需要通过热能和动能等中间形式。与一般的电池相同，燃料电池也是由阴极、阳极和电解质构成，不同之处在于：在一次电池(也称原电池)中，化学能被储存在电池物质中，当电池发电时，电池物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕时，电池就再也发不出电了。在二次电池(也称充电电池)中，电池利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进行，再生成电化学反应物质。从能量角度看，就是将外部能量充给电池，使其再发电，实现反复使用的功能。对于燃料电池，从理论上讲，只要不断向其供给燃料(阳极反应物质，如氢气、甲醇等)和氧化剂(阴极反应物质，如氧气、空气)，就可以连续不断地发电。因此又可以形象地称燃料电池为电化学发动机。
1、 燃料电池的发展
燃料电池的历史可以追溯到1839年英国人W.Grove所进行的实验，他成功地进行了传统的电解水的逆反应，即在硫酸溶液中插入两个铂电极，分别向两极供应氢气和氧气，结果产生了电流，发明了世界上第一个燃料电池。1889年，英国人Mond和Langer用上述装置获得了0.2A/cm2的电流密度，并且首先采用了燃料电池这一概念。在以后的一段时间里由于将机械能转变为电能的电磁原理的发电机问世，人们减小了对燃料电池的兴趣，因此，燃料电池研究的进展较慢。此外，当时的材料技术水平较低以及对电极反应动力学方面的知识还没有建立，也阻碍了燃料电池的发展。直到20世纪50年代，英国人F.Bacon成功地开发了多孔镍电极，并制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。Bacon的研究成果是后来美国宇航局(NASA)阿波罗(Apollo)计划中燃料电池的基础，并在60年代形成研究燃料电池的又一次高潮。燃料电池的首次实际应用是在60年代碱性燃料电池(AFC)作为宇宙飞船的空间电源，这是燃料电池发展的一个里程碑。此后，燃料电池向多样化方向发展。20世纪80年代后，燃料电池从空间应用转入民用。进入90年代，燃料电池技术发展迅速，洁净电站、便携式电源进入即将商业化阶段，燃料电池动力汽车进入实验阶段(戴姆勒-奔驰、丰田等)。
2、 燃料电池的特点
燃料电池最显著的特点是高效和环境友好。具体如下：
(1)能量转换率高。燃料电池由于直接将化学能转变为电能，中间未经燃烧过程，不受卡诺循环的限制，能量转换率高。热机的最高能量转换效率只有20%～40%，而燃料电池理论上的能量转换效率可达90%以上。在实际应用中，即使由于阴、阳极极化和浓差极化的存在，电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池实际的能量转换效率也可以达到60%以上。对高温燃料电池来说，如果把产生的热量以热机发电的形式加以利用，能量转换效率可达85%。
(2)环境污染低。燃料电池反应产物主要是水和CO2，不向大气排放有害物种如NOx、SOx、粉尘等。并且由于燃料电池系统中几乎没有类似于发电机组的可移动的部件，因此发电时十分安静，几乎没有噪声。
(3)可靠性高。与燃烧涡轮机或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠。燃料电池从未发生过像燃烧涡轮机或内燃机因转动部件失灵而发生的恶性事故。
(4)灵活性大，操作方便。燃料电池发电站的建设周期短，效率与规模无关，可根据用户需求来调节发电容量，对输出负荷响应快。
根据所用电解质的不同，燃料电池可以分为5类：磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
目前它们各自处于不同的发展阶段：AFC是最成熟的燃料电池技术，主要应用于空间领域。PAFC试验电厂的功率达到1.3MW～11MW，50kW～250kW的工作电站已进入商业化阶段，但成本较高。MCFC和SOFC被认为最适合公共发电，MCFC试验电厂的功率达到MW级，几十至250kW的工作电站接近商业化。SOFC的研究处于起步阶段，功率小于10kW。PEMFC在90年代发展很快，特别适用于作为便携式电源和交通器用电源，但目前成本太高，还无法与传统电源竞争。
3、 燃料电池发展概况和我国的对策
3.1 我国燃料电池研制水平与国外有较大差距的原因
3.1.1 我国燃料电池的研制曾停顿15年
我国燃料电池的研究分2个阶段。在60年代-70年代，国内曾兴起一次研究碱性燃料电池（AFC）的热潮，但在70年代后期全国基本上停止了燃料电池的研究。90年代初开始，由于国外民用燃料电池的迅速发展，我国燃料电池的研究又开始了第二个阶段，这一阶段国内研究的燃料电池有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。我国燃料电池的研制曾停顿15年是我国现在燃料电池研究水平与国外有较大差距的原因之一。
3.1.2 投入的研究经费少
发达国家对燃料电池研制的经费投入很多，如1987年-1997年，美国能源部对燃料电池研究的资助如下7
就一个单位来说，加拿大Ballard公司在近年来得到的资助如下：
我国对燃料电池研制经费的投入较少，许多单位都是依靠国家自然科学基金会的少量资助来开展工作。"八五"期间，中国科学院资助长春应化所40万元研制PEMFC，"九五"期间，科技部、中国科学院联合投资约2500万元，得到资助最多的大连化学物理所也只得到1500万元的经费。"十五"期间由于意识到发展燃料电池的重要意义，燃料电池在973、863、国家科技攻关、自然科学基金等国家级重大影响的项目中已有大增量的投入。近年来由于科技投入增加，我国燃料电池发展正在迅速地接近国际先进水平。
3.1.3 过去对燃料电池重要性的宣传不够
过去对燃料电池重要性的宣传不够，特别是政府领导部门对燃料电池的了解不多，早在1994年中国科学院和许多专家开始呼吁燃料电池立项，但到1998年才确定"八五"攻关立项。申请973项目两次都没有通过。现在我国政府已开始认识到了燃料电池的重要性，因此立项的步伐大大加快。现在已初步确定在863项目中，PEMFC的资助经费为1.2亿元，MCFC和SOFC的经费约2000万元。
3.2 PEMFC发展概况
早在研制宇宙飞船用燃料电池时就提出过PEMFC方案，但当时由于离子交换膜不过关而停止了PEMFC的研究。后来在美国杜邦公司研制成全氟磺酸氢离子交换膜后，PEMFC的研制迅速开展。其中发展最快的是加拿大巴拉德公司，他们在80年代初开始研制PEMFC，在1997年研制成的PEMFC的功率密度已达1000WL，使用寿命达11 000h。他们生产了5kW的PEMFC样机，供单位试用。在1997年他们与德国奔驰公司合作，研制了PEMFC驱动的面包车，行驶性能良好。他们已研制成PEMFC的公共汽车，功率为2.0×106W，行程可达400km，可载75人，已销售出6辆PEMFC公共汽车。他们认为车用的PEMFC的技术基本上已过关，现在已经进入商业化的阶段。
我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，他们在1990年由科学院支持开始PEMFC的基础研究。此后，中科院大连化学物理研究所、上海神力公司、上海交通大学、北京富源公司、北京绿能公司等相继开展PEMFC的研制工作。在"九五"期间，这几个单位都研制成功了5kW～30kW的PEMFC电池堆，并进行了PEMFC电动车的试验。2002年上海交大和上海神力公司(由Ballard公司归国人员建立)燃料电池驱动的汽车通过国家863专家组鉴定。大连化学物理研究所也研制成功大功率的燃料电池电动车。
3.2.1 PEMFC商业化存在的问题
从目前来看，PEMFC最大的用途是PEMFC电动车。针对PEMFC电动车美国能源部认为，汽车用PEMFC最终要能满足下列要求：
(1)燃料应用液体燃料重整制备氢气，而不用高压纯氢。
(2)单个电池组的功率为20kW～30kW。
(3)电池寿命应超过10 000h。
(4)电池质量小于4kgkW。
(5)电池价格在50美元kW～150美元kW。
(6)应用低铂或非铂催化剂。
3.2.2 PEMFC的商业化还要克服3个问题
(1)价格高。现在PEMFC的价格为1000美元kW～2000美元kW。1997年Barllard公司生产的PEMFC电动车的销售价格为150万美元辆。PEMFC中，价格最高的部件是Nafion膜和双极板，如目前Nafion膜的价格为800美元m2。
(2)不用氢作燃料。这一方面是由于氢在运输和储存方面的不安全性，特别是车用的PEMFC，危险性更大。另外，要把目前的加油站改变成加氢站，将须巨大的资金。
(3)铂资源问题。
3.3 MCFC的研究简况
MCFC的概念起源于20世纪40年代末期，70年代初开始受到各国政府的重视。从80年代开始，日本和美国加大了投资力度。进入90年代，西欧各国也迎头赶上，进行MCFC大容量、长寿命试验，其目的是在21世纪初完成MCFC商品化，进入世界能源市场。
日本的新能源和工业技术开发组织(NEDO)主持进行了1000kW MCFC示范电站的开发，电站调试于1999年4月进行，7月运作，于2000年1月结束，运行寿命接近5000h，基本达到预定目标。
美国的能源研究公司(ERC)联合了7家公司和组织，于1995年在加州Santa Clara开始了2 MW MCFC示范电站的建设和运转试验。电站于1998年完成安装，连续运转了5290h。西欧的一些国家，如丹麦、德国、荷兰、意大利，均投入大量的资金进行MCFC示范电站的研究开发。
总的看来，国外正在致力于提高MCFC运行寿命的研究，降低成本，提高可靠性。在20世纪90年代末期，美、日和西欧国家所进行的大容量MCFC试验已不是90年代初期大容量MCFC简单的重复和增大，它包含着许多技术问题的突破和设计及工艺上的完善。
国内开展MCFC的单位不太多，哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，能做到单体电池放电，90年代初停止了这方面的研究。1993年中国科学院大连化学物理研究所得到中国科学院的资助，开始了MCFC的研究，首先，他们研制LiAlO2微粉，并用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，主要研究了LiAlO2微粉的制备方法和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料。北京科技大学在90年代初开始在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出用金属间化合物作电极材料以降低电极材料的溶解。中国科学院上海冶金研究所在近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。1995年，上海交通大学也开始了MCFC的研究，他们与长庆油田合作，准备共同开发5kW～10kW的MCFC。中国科学院电工研究所在"八五"期间，已考察了国外的MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，准备研究MCFC发电站系统工程的关键技术。
3.4 SOFC的研究简况
我国在SOFC上的研究工作是在"八五"、"九五"期间开展的。现在国内已有十几个单位进行了SOFC相关技术的研究。在材料及部件方面，主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究，如掺杂的LaGaO3、纳米YSZ、锶掺杂的锰酸镧阴极及Ni-YSZ陶瓷阳极的制备与优化等。采用廉价的湿法工艺，可在YSZ+NiO阳极基底上制备厚度仅为50μm的致密YSZ薄膜，800℃用氢作燃料时单电池的输出功率密度达到0.3W/cm2以上。电池组方面，2001年3月，800W的SOFC电池组已研制成功并进行了发电试验。目前我国已经具备了研制数千瓦级固体氧化物燃料电池发电系统的能力。90年代以来，我国多家研究机构开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究工作，在阴极、阳极、LiA-lO2粉料、电解质隔膜、双极板等关键材料和部件的制备，电池组的设计、组装、运行和电池系统总体技术的开发上，取得了一定的突破，如电解质隔膜的冷滚压和流铸制备工艺，制备隔膜的面积可达2000cm2以上，并已研制成功1kW熔融碳酸盐燃料电池组。目前我国也已经具备了研制数十千瓦级熔融碳酸盐燃料电池发电系统的能力。
国内最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所，他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要着重于SOFC的电极材料及电解质材料的研究，但不久就暂停了这一项目。80年代在国家自然科学基金会的资助下，又开始了SOFC的研究，主要针对流延法制备氧化锆膜材、阴极和阳极材料、单体SOFC结构开展了研究，已熟练掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。吉林大学1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC进行研究，在研制电解质、阳极和阴极材料的基础上，组装成单体电池，通过了吉林省省科委的鉴定。之后又得到吉林省能源交通总公司和国家自然科学基金会的资助，进一步开展了这方面的研究，并在1995年得到吉林省计委和国家计委的资助共450万元。现在他们在研究了电极、电解质、密封和连结材料的基础上，已制备出的单体电池开路电压达1.18V，电流密度达400mA/cm2，制成的4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下于1991年开展SOFC的研究，首先从研制材料着手，然后制成了管式和平板式的的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W SOFC块状叠层式电池组，寿命试验达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Weistinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，结合制备工艺，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性连结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。中国科学技术大学在1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，1992年在国家自然科学基金会和863的资助下，开始了SOFC的研究，他们致力于中温SOFC的研究，一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，已组装成450℃工作的SOFC。另一种是研究用新型的质子导电作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。另外，他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代的SOFC。清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联接电极材料的超细粉。并开展了平板型SOFC成型和烧成技术的研究。华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共百万多元的资助下在1992年开始了SOFC的研究，已组成的管状单体电池，用甲烷直接作燃料，最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2。连续运转140h，电池性能无衰退现象。中国科学院山西煤碳化学研究所在1994年开始SOFC的研究，主要发展了用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质的技术。他们与吉林大学有一定的协作关系。该所从80年代初开始在煤的气化热解方面进行研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还研究了使煤气化热解的煤气在高温脱硫和除尘的技术。另外，该所还进行了甲醇脱氢生产合成气的研究，产生的合成气中CO和H2的比例为1：2，已有成套装置出售。中国科学院大连化学物理所在1994年开始开展SOFC的研究，现在还处在研究电极和电解质材料的阶段。中国科学院北京物理所1995年在国家自然科学基金会的资助下，开展了SOFC的一些基础性研究，偏重于新型电解质和电极材料的研究。目前，SOFC电池组主要有两种型式：平板型和管型。西门子-西屋公司开发的100kW管型SOFC电站已经运行超过1年，2001年将完成250kW电站的建设。Ztek公司已经完成25kW平板型SOFC电站的研制与运行。
现阶段制约SOFC研究开发和商品化进程的技术关键是电极材料、双机连接板材料和密封技术。高温固体氧化物燃料电池采用Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)作电解质。由于YSZ的电导率较低，要获得有商业意义的输出功率密度，电池必须在900℃～950℃以上工作。由于操作温度过高，所发生的电极电解质、电极双极板和双极板电解质许多界面的反应及电极的烧结退化等会降低电池的效率和稳定性。对平板型SOFC，高温对无机密封和双极板选材提出了更加苛刻的要求。当前，国际主流研究开发方向已经转向800℃以下的SOFC。SOFC工作温度降低后可以扩大电池关键材料的选择范围，还可避免用甲烷作燃料时积碳现象的产生。降低SOFC工作温度的途径有两条：一是研制超薄YSZ电解质膜及进行电极修饰，以增大中温下电池的输出功率密度；二是研制中温下具有高离子导电率的新型固体电解质材料及与其相容的高活性、高稳定性的电极材料。
4 、燃料电池应用发展前景展望
4.1 燃料电池在我国具有巨大的应用前景
我国目前汽车的年产量为180万辆，全国运行的汽车总数为6000万辆，因此我国汽车所消耗的能源是非常大的。世界上石油资源短缺，我国的形势更是严峻，现在每年有13的石油从国外进口，另外。汽车已是最大的污染源，因此发展电动车是当务之急。
目前，单用蓄电池的电动车的性能不够理想，如用铅酸电池的电动车，虽然其价格便宜，只有40美元kW，但其行程只有100km，氢镍电池的行程为150km，为350美元kW，锂离子电池行程也只有200km，但要1500美元kW。因此，作为一种暂时的措施，在2005年前应用蓄电池与内燃机混合作动力的汽车，在2010年以后将用燃料电池作动力的汽车。汽车用的燃料电池开始应以城市公共汽车为突破口，因公共汽车可承受较高的价格，公共汽车定点行驶，可暂时设立加氢站等。由上述情况可以看出，汽车行业将是燃料电池的最大市场，也是最需要的市场。
作为一种可移动的电源，燃料电池另一个应用的目标是潜艇。从70年代开始，国外就开始发展不依赖大气的潜艇。现在有三种方案，一是瑞典研制的斯特灵发动机，在水下航行时间为1000h。但由于这种发动机加工工艺复杂，价格较高等原因，这种发动机只装备了瑞典的三艘潜艇，而没能出售给其他国家。我国从"七五"开始研制这种发动机，应在"九五"研制成功。但是否能用到潜艇上，还没有把握。核潜艇当然能长期在水下航行，最近又推出低温小型核反应堆。但它的问题是核废料的处理困难，一条核潜艇的核废料的处理成本几乎与建造一条核潜艇相当。第三个方案是用燃料电池作潜艇的动力源。德国在70年代就开始研制潜艇用的燃料电池，准备在明年下水。意大利已向德国订购2条燃料电池为动力的潜艇，英国也将与德国合作，研制燃料电池为动力的欧洲潜艇。燃料电池作潜艇动力源的主要优点是无噪声、热辐射小而不易被探测到、能量转换效率高，耗氧量低和工作气压低等。
4.2 小型燃料电池作为小型便携式电源可能会率先商品化
小型燃料电池作为小型便携式电源，如军用的小型降温仪、红外夜视仪、指挥工事等的电源，家电、摩托车和自行车的电源也有很大的优点。特别值得注意的是我国摩托车的拥有量很大，而一辆摩托车产生的污染要相当于10辆汽车，因此发展电动摩托车也是当务之急。美国能源部估计小型燃料电池的商业化速度可能较快，因为小型燃料电池可承受的价格比较高。如用作汽车用的燃料电池的商业化的价格为50美元kW，而用作小型仪器设备的燃料电池的价格可达2000美元kW。基于这种考虑，有些公司，如美国H Power公司就专门搞小型燃料电池的研究。另外，研制和生产小型燃料电池的投资相对比较小。
4.3 燃料电池的研制和开发是一项长期的战略任务
由于燃料电池具有许多的优点，特别是能量利用率高和产生的污染少。另外，燃料电池有几种不同的类型，每种类型有不同的用途，如PEMFC主要可作为汽车和潜艇等的动力源，直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMPEMFC)可作为小型设备的电源，固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可用作发电站。因此，国际上对燃料电池的研制给予高度的重视。如1997年底，美国总统科技顾问委员会提交的"迎接21世纪挑战的能源与开发"报告中，认为燃料电池技术在美国属于能源领域国家关键技术之一。美刊《未来学家》"在2001年到2030年间将出现哪些新兴技术"一文中预测：到2017年把燃料转化为电能的燃料电池将得到广泛的使用，约占电能的30%。
因为燃料电池的技术比较难，所以从开始研究到商品化的时间比较长，如国外从开始研究MCFC到现在研制出兆瓦级的样机就经历了30年的时间。巴拉德公司在60年代研制航天用的质子交换膜(PEMFC)技术的基础上在80年代开始研制民用的PEMFC，从开始研制到装配成6辆PEMFC为动力的公共汽车，也经历了近20年的时间，他们预计要使这种燃料电池商品化，至少还要10年的时间。因此，我国应把研制燃料电池作为一项长期的战略任务，制订较长期的研制规划。
我国在60年代和70年代初研制过宇航用的碱性燃料电池(AFC)，但后来由于一些原因而停止了燃料电池研究近20年，使我国在燃料电池方面的研究水平大大落后于国际的先进水平。在"九五"期间，我国开始了较大规模的燃料电池的研制工作，在经费少和时间短的情况下取得了一定的进展。国家应在这个基础上，继续立项支持燃料电池的研制和开发，使燃料电池作为21世纪的洁净能源，对我国国民经济的发展作出重要贡献。"十五"期间，国家在多个层面，多个类型上加大了对燃料电池的投入，在基础研究(973，自然基金)、高技术研究863电动车专项和材料与能源领域项目、国家攻关项目以及科学院、教育部及地方政府各类项目的支持下，现阶段我国燃料电池技术提高较快，个别研究已达到国际先进水平，可以预计燃料电池有望在不遥远的未来(5年～10年)走入中国人的现实生活中。
推荐访问: 燃料电池