燃料電池研究進展及其應用前景

　　能源問題近些年一直受到廣泛的關注。隨著三大化石能源的不斷使用，能源儲備、過度開采，環境問題越來越嚴重。世界能源組織調查顯示，包括煤、石油、天然氣等在內的礦物質能源將在未來的100~200年內耗盡，新的能源利用技術將被不斷的開發并利用起來。燃料電池就是一種潛力巨大的新能源。

1 燃料電池概述

　　燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置。所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，以及現在運用最廣泛的汽油。最常見是以氫氧為燃料的質子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學危險、對環境無污染，發電后產生純水和熱，這是目前其它所有動力來源無法做到的。

　　由于燃料電池產生的電量較小，無法瞬間提供大量電能，因此只能用于平穩供電。目前一些筆記本電腦開始研究使用燃料電池。將燃料電池作為汽車的動力，已被公認為是21世紀的必然趨勢。

　　燃料電池用可燃性的燃料與氧反應產生電力。通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷、乙醇、氫等這些可燃性物質都要經過燃燒來加熱水，使水沸騰產生水蒸汽并推動渦輪進行發電。這種轉換方式大部分的能量通常都轉為無用的熱能，轉換效率相當的低，只有30%左右；而燃料電池則是以特殊催化劑使燃料與氧發生反應產生二氧化碳和水，因無需推動渦輪機等發電器具，也不需要將水加熱成水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70%左右，比一般的能源利用方式高出40%，且二氧化碳排放量比一般方法低許多，水又是無害的產物，因此也是一種低污染性的能源。

2 燃料電池的分類

　　（1）按燃料電池的運行機理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。

　　（2）按電解質的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池可以冷起動和快起動，可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

　　（3）按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機液體燃料。有機液體燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。

　　（4）按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200 ℃；中溫型，工作溫度為200～750 ℃；高溫型，工作溫度高于750 ℃。

　　在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑會與工作介質中的一氧化碳發生作用后產生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞，而且鉑的價格很高，增加了燃料電池的成本。

　　另一類是在高溫（600~1 000 ℃）下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發電廠中。

3 燃料電池的研究進展

　　3.1 國內的研究現狀

　　早在20世紀50年代，我國就開展燃料電池方面的研究，在燃料電池關鍵材料、關鍵技術的創新方面取得了許多突破。政府十分注重燃料電池的研究開發，陸續開發出30 kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術特別是質子交換膜燃料電池技術也得到了迅速發展，相繼開發出60 kW、75 kW等多種規格的質子交換膜燃料電池組。開發出電動轎車用凈輸出40 kW、城市客車用凈輸出100 kW燃料電池發動機，使中國的燃料電池技術跨入世界先進國家行列。

　　國內對質子交換膜燃料電池的各個組件的開發研究都取得了較大的進展。其中對于催化劑方面：清華大學科研人員研制出新型鉑/碳電極催化劑。將碳載體在使用前置于一氧化碳中活化處理，即將碳載體置于流動的一氧化碳氣中加熱到350~900 ℃，活化處理l~12 h，再用沉淀法把Pt負載到碳載體上，得到Pt/C催化劑；長春應用化學研究所研制出納米級高活性電催化劑用作陽極催化劑。該催化劑粒度均勻，粒徑約（4±0.5）nm，電化學性能優于國際同類產品；復旦大學利用沉淀方法在表面活性劑存在時，制得納米負載壁鉑/碳催化劑，該催化劑使用效果非常好；此外，我國科研人員在研究催化劑時普遍把粉末狀活性炭加入氯鉑酸溶液，再加入過量甲醛還原，反應中采用軟脂酸、硬脂酸或硅油作為表面活性劑，摻雜組分是Pd、Ir、Ru等金屬元素或非金屬物質之一。

　　在電極組合件方面：北京世紀富原燃料電池有限公司開發出橫板涂敷法，在一片質子交換膜上制作多個膜電極的燃料電池，由一片質子交換膜、多個催化層和多個擴散層組成多個膜電極，由多個膜電極和多個導流板組成多個發電單元；北京太陽能新技術公司研制出陶瓷型無機復合材料厚膜電極，材料中組分質量百分含量為：石墨25％~30％、Ag 25％~30％、PbO 30％~35％、BO 6％~8％、SiO22％~4％，將金屬或非金屬與導電粉末等氧化物組成的無機粘結劑摻合，絲網印刷，燒結，形成微觀網絡式導電通道。

　　在質子交換膜方面：清華大學研制出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸PEM。聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶劑中，將該高分子溶液加熱至甲基吡咯烷酮的沸騰溫度，在該溫度下回流0.5~5 h，溫度降至90 ℃，然后向溶液中加入引發劑，在90 ℃保溫1~5 h后降至室溫，再向溶液中加入三氯甲烷，直至不溶性固體全部沉淀，將固體取出，加引發劑，再經處理便制得此種質子交換膜。

　　在雙極板方面：天津電源研究所研制出實用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應區域、氣體進口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應區域周圍分別設有凹槽，氣體進口、氣體出口與氣體反應區域之間分別設置有暗孔道。該設計改善了電池組的密封性，延長了其壽命，提高了性能；大連化學物理研究所研制出的雙極板由3層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，條狀溝槽占整個工作面積的50％~80%。這種新穎的設計提高了反應氣的利用率，從而提高了電池性能。

　　在電解質方面：吉林大學研制出固體復合電解質，它由基體材料Ce1-xRexO2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金屬化合物或NiAl化合物添加劑合成，經過混合、研磨、燒結、冷卻、粉碎、研磨等工藝制成。它是用模具直接壓制成薄片，燒結后強度可達到10 MPa。用它作PEMFC電解質，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多種燃料；上海交通大學研制出新型電解質—帶磺酸鹽側基、羧酸鹽側基的聚芳醚酮，該聚合物可作為PEM的陽離子組分。

　　3.2 國外的研究現狀

　　發達國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目，企業界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術的研究與開發，現在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用于發電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網調峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。

　　燃料電池的高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第4代發電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發展必須引起我們的足夠重視，現在它已是能源、電力行業不得不正視的課題。

　　由于堿性燃料電池在實際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，會受CO2毒化而大大降低效率和使用壽命，因此，人們認為堿性燃料電池不適合作為汽車動力等方面，并將研究重點轉向了質子交換膜燃料電池，只有少數機構還在對堿性燃料電池進行研究。為了解決堿性燃料電池這一問題國外進行了大量的研究工作。

　　E. Gulzow等研究發現：當電極采用特殊方法制備時，可以在CO2含量較高的條件下正常運行而不受毒化。在電極制備中，催化劑材料與PTFE（聚四氟乙烯）細顆粒在高速下混合，粒徑小于1mm的PTFE小顆粒覆蓋在催化劑表面，增加了電極強度，同時也避免了電極被電解液完全淹沒，減小了碳酸鹽析出堵塞微孔及對電極造成機械損害的可能性。此外，還允許氣體進入電極，在發生電化學反應的區域形成1個3相區；S. Rahman等將通常電極制備的干法和濕法相結合，提出了過濾法，通過控制PTFE的含量和碾磨時間來優化電極的性能。研究表明：當PTFE的含量為8％（質量分數）、碾磨時間為60 s時，電極性能最好。通過新的電極制備方法，堿性燃料電池可承受較高的CO2濃度；E.Gulzow等在氧氣中加入5％的CO2，對堿性燃料電池電極進行連續3 500 h的實驗，未發現CO2對電極的壽命和性能帶來影響，說明新的電極制備方法可解決電極CO2毒化的問題。

　　另外也有人提出采用氨作為氫源，避免CO2的毒化問題。氨在室溫下僅需8~9 MPa就可被液化，不需較高能量消耗，且價格低，已有比較完善的生產、運輸體系，而氫的使用則需要較長時間進行基礎設施建設。氨具有強烈刺鼻的氣味，其泄漏很容易檢測。和其它燃料相比，氨更為清潔，不會對土地造成破壞。氨的爆炸范圍比較小，僅15％~28％（體積分數），相對安全。在堿性燃料電池使用中，只需在燃料入口增加1個重整器，將NH3分解為N2和H2即可。所以NH3將有望在堿性燃料電池中廣泛使用，具有較好的發展前景。

　　3.3 燃料電池最新成果

　　Mobion燃料電池使用了MTIMicro公司的Mobion專利芯片來簡化燃料電池內部的復雜結構，這樣也可以有效降低燃料電池的成本。這種芯片集成了1個流質的能源模塊，可以讓燃料電池在0~40 ℃之間的溫度條件下和任何濕度條件下使用。Mobion芯片采用了100%甲醇設計，并使用了被動直接甲醇燃料電池技術。整個芯片的體積只有9 cm3，可以輕松地被嵌入到各種便攜式電子產品中。MTIMicro公司表示，Mobion燃料電池可以提供0.050 W/cm2和1.4（W·h）/cm3的能量，并且整個芯片的重量不足29 g。

4 燃料電池的應用前景

　　燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應用前景。它可以用作小型發電設備；作為長效電池；應用在電動汽車上。

　　燃料電池用作發電設備，是因為其價格有可能與一般的發電設備相競爭。但燃料電池在電動汽車上的商業應用前景是遠期的，因為汽車需要的是發電機，發電機的價格遠比燃料電池要便宜，因此在短期內，燃料電池汽車在價格上難以與其他汽車相競爭。

　　目前燃料電池研究與開發集中在4個方面：（1）電解質膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統結構。日美歐各廠家開發面向便攜電子設備的燃料電池，尤其重視（1）~（3）方面的材料研究與開發。第4方面的研究課題是燃料電池的系統結構，前3個方面是構成燃料電池的必要準備，而系統結構是燃料電池的最終結果。

　　燃料電池，特別是固體氧化物燃料電池的開發研究以及商業化，是解決世界節能和環保的重要手段，受到了包括美國、歐洲、日本、澳大利亞、韓國等世界諸多國家的普遍重視。盡管目前固體氧化物燃料在應用中還存在一些問題，如電極材料、制造成本、操作溫度過高等等問題，但瑕不掩瑜，加快固體氧化物燃料電池發展必然是世界能源發展的總趨勢。

　　降低電池操作溫度和微型化是固體氧化物燃料電池的發展趨勢。其關鍵部件的材料制備成為制約固體氧化物燃料電池發展的瓶頸。應突破的關鍵技術主要有：（1）高性能電極材料及其制備技術；（2）新型電解質材料及電極支撐電解質隔膜的制備技術；（3）電池結構優化設計及其制備技術；（4）電池的結構、性能與表征的研究。

5 結束語

　　燃料電池的研究與發展，為便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業、住宅以及社會各方面的集中供電系統。它將把人們由集中供電帶進分散供電的新時代。因為太陽能供電雖然能替代部分能源，但它受天氣與氣候的制約，核能利用又存在安全問題。而燃料電池供電，沒有二氧化碳的排放，解決了火力發電使全球環境污染的問題，是純正的綠色清潔能源。

　　隨著燃料電池關鍵技術瓶頸得以解決，以及新技術開發研究和商業化運作，發展中的燃料電池技術必將能夠加快我國經濟建設與可持續化發展步伐。