燃料电池的发展研究应用概况

燃料电池的发展研究应用概况

摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。本文详细阐述了燃料电池的近期研究进展与面临的挑战及未来发展方向。燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题。未来我国应大力推进燃料电池在水下潜器、航天飞行器等特殊领域的应用，解决高可靠性与安全性及环境适应性等关键问题；同时，在民用领域要实现燃料电池寿命与成本兼顾，从材料、部件及系统等3个层次深入技术改进与创新，尽快推进燃料电池的商业化。

关键词：燃料电池；发展；应用

能源是国民经济的动力，也是衡量综合国力和人民生活水平的重要指标。随着世界范围内工业的高速发展，全世界对能源的需求日益增加。另外，能源的使用以化石燃料为主，排放了大量CO2、N2O及硫化物等污染物，造成了环境污染，严重危害人民健康。因此，采用清洁、高效的能源利用方式，积极开发新能源，有利于国家和社会经济的可持续发展。燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，正在成为理想的能源利用方式。同时，随着燃料电池技术不断成熟，以及西气东输工程提供了充足天然气源，燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。

一、燃料电池的原理

燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应，其工作原理如下图所示。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。

燃料电池工作原理示意图

二、燃料电池的应用

2.1航天领域

早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。以燃料电池为动力的Gemini宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飞行。由于这种聚苯乙烯磺酸膜稳定性较差，后来在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。在Apollo宇宙飞船1966年至1978年服役期间，总计完成了18次飞行任务，累积运行超过了10000 h，表现出良好的可靠性与安全性。除了宇宙飞船外，燃料电池在航天飞机上的应用是航天史上又一成功的范例。美国航天飞机载有3个额定功率为12kW 的碱性燃料电池，每个电堆包含96节单电池，输出电压为28V，效率超过70% 。单个电堆可以独立工作，确保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电池产生的水可以供航天员饮用。从1981 年首次飞行直至2011年航天飞机宣布退役，在30年期间里燃料电池累积运行了101000 h，可靠性达到99%以上。中国科学院大连化学物理研究所早在70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池系统。这一航天用燃料电池研制成果，为我国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。

2.2潜艇方面

燃料电池作为潜艇AIP（Air-Independent Propulsion，AIP）动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6 艘在役，还有一些FC-AIP潜艇在建造中。2009 年10月意大利军方订购的2 艘改进型FC-AIP 潜艇开始建造，潜艇水面排水量为1450 吨，总长为56 m，最大直径为7m，额定船员24 名，水下最大航速为20 节，计划在2015 ～2016 年开始服役。FC-AIP 潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2 天，而FC-AIP 潜艇一次潜航时间可达3 周。这种潜艇用燃料电池是由西门子公司制造，采用镀金金属双极板。212型艇装载了额定功率为34 kW 的燃料电池模块，214 型艇装载了120 kW 燃料电池模块，，额定工况下效率接近60%。

2.3电动汽车

随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题。燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一，近20年来得到各国政府、汽车企业、研究机构的普遍重视。燃料电池汽车示范在国内外不断兴起，较著名的是欧洲城市清洁交通示范项目（Clean Urban Transport for Europe，CUTE），第1 期共有27 辆车在9 个欧洲城市运行2年；并于2006 ～2009年进行第2 期示范（Hy-Fleet: CUTE），33辆燃料电池客车在包括北京的10个城市运行；整个项目累计运行140 000 h，行驶备用电源与家庭电源约2 100 000 km，承载乘客约850 万；目前，正在着手进行第3 期（Clean Hydrogen in European citiesproject，CHIC）示范。代表性的车型是由Daimler 公司制造的燃料电池客车Citaro，分别采用纯燃料电池、燃料电池与蓄电池混合动力，加拿大Ballard 公司提供燃料电池模块，电堆采用模压石墨双极板，具有较好的操作弹性。

通过示范，车用燃料电池技术取得了长足的进展。近年来，燃料电池汽车在性能、寿命与成本方面均取得一定的突破。在性能方面，美国GM 公司的燃料电池发动机体积比功率已与传统的四缸内燃机相当，德国Daimler 公司通过3 辆B 型Mercedes-Benz 燃料电池轿车F-Cell 的环球旅行向世人展示了燃料电池汽车的可使用性，其续驶里程、最高时速、加速性能等已与传统汽油车相当，计划2014 年开始实施批量生产；在寿命方面，美国UTC Power 公司的燃料电池客车至2011 年8月已经累积运行了10 000 h，寿命指标已达到商业化目标；在成本方面，各大汽车公司都致力于降低燃料电池Pt 用量，经过不断地技术改进，美国GM 公司一台94 kW 的发动机，Pt 用量从上一代的

80 g 降低到30 g，并计划2015 年Pt 用量再降低至1 /3，达到每辆车Pt 用量10 g。日本Toyota 公司也宣布燃料电池发动机催化剂Pt 用量降低到原来的1 /3，预计2015年单车成本降低至50000美元，并计划于2015 年实现燃料电池汽车商业化。

目前，燃料电池发动机技术明显提升，在中国科技部支持下，国产PEMFC 关键材料和部件的开发取得了重大进展，研制成功了高导电性及优化孔结构的碳纸、增强型复合质子交换膜、高稳定性/高活性Pt-Pd 复合电催化剂及薄型全金属双极板等。

2.4备用电源与家庭电源

与现有的柴油发电机比较，燃料电池作为不间断备用电源，具有高密度、高效率、长待时及环境友好等特点，可以为电信、银行等重要部门或偏远地区提供环保型电源。家庭与一些公共场所大多采用1 ～5 kW 小型热电联供装置，家庭电源通常以天然气为燃料，这样可以兼容现有的公共设施，提供电网以外的电，废热可以以热水的形式利用，备用电源也可采用甲醇液体燃料。在燃料电池电源产品研发方面，日本的Ebara-Ballard 公司1kW 家庭型燃料电池电源，其产品已经在700 多个场所试验，并建立了年产4000 台的生产基地；美国Idatech 公司研制的5 kW UPS 已于2008 年拿到印度ACME 集团30 000 台的订单；美国Plug Power公司已实现近千台的5 kW 电源的销售，主要用于通讯、军事等方面；此外，Relion 与Altergy公司也开拓了燃料电池备用电源市场。我国也已研制了10 kW 的供电系统，以家庭用电为示范，已经运行了2500 h。

三、燃料电池的应用前景

燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。它可以用作小型发电设备；作为长效电池；应用在电动汽车上。

燃料电池用作发电设备，是因为其价格有可能与一般的发电设备相竞争。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，因为汽车需要的是发电机，发电机的价格远比燃料电池要便宜，因此在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。

目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：（1）电解质膜；（2）电极；（3）燃料；（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视（1）~（3）方面的材料研究与开发。第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。

燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化，是解决世界节能和

环保的重要手段，受到了包括美国、欧洲、日本、澳大利亚、韩国等世界诸多国家的普遍重视。尽管目前固体氧化物燃料在应用中还存在一些问题，如电极材料、制造成本、操作温度过高等等问题，但瑕不掩瑜，加快固体氧化物燃料电池发展必然是世界能源发展的总趋势。

降低电池操作温度和微型化是固体氧化物燃料电池的发展趋势。其关键部件的材料制备成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：（1）高性能电极材料及其制备技术；（2）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；（3）电池结构优化设计及其制备技术；（4）电池的结构、性能与表征的研究。

四、结语

燃料电池经过近半个多世纪的发展，已经实现了在航天飞机、宇宙飞船及潜艇等特殊领域的应用，而民用方面由于受寿命与成本的制约，至今在电动汽车、电站、便携式电源或充电器等各行业还处于示范阶段。未来我国应大力推进燃料电池在特殊领域的应用，增强我国的国防军事实力；同时，要集中解决寿命与成本兼顾问题，从材料、部件、系统等3 个层次进行技术改进与创新，加快燃料电池民用商业化步伐，提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术，为建立低碳、减排、不依赖于化石能源的能量转化技术新体系做贡献。

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