燃料電池研究進(jìn)展及其應用前景

　　能源問(wèn)題近些年一直受到廣泛的關(guān)注。隨著(zhù)三大化石能源的不斷使用，能源儲備、過(guò)度開(kāi)采，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)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(zhì)能源將在未來(lái)的100~200年內耗盡，新的能源利用技術(shù)將被不斷的開(kāi)發(fā)并利用起來(lái)。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(jìn)行化學(xué)反應產(chǎn)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(jiàn)是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，由于燃料價(jià)格便宜，無(wú)化學(xué)危險、對環(huán)境無(wú)污染，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，這是目前其它所有動(dòng)力來(lái)源無(wú)法做到的。

　　由于燃料電池產(chǎn)生的電量較小，無(wú)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(kāi)始研究使用燃料電池。將燃料電池作為汽車(chē)的動(dòng)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(chǎn)生電力。通?？扇夹匀剂先缤咚?、汽油、甲烷、乙醇、氫等這些可燃性物質(zhì)都要經(jīng)過(guò)燃燒來(lái)加熱水，使水沸騰產(chǎn)生水蒸汽并推動(dòng)渦輪進(jìn)行發(fā)電。這種轉換方式大部分的能量通常都轉為無(wú)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(fā)生反應產(chǎn)生二氧化碳和水，因無(wú)需推動(dòng)渦輪機等發(fā)電器具，也不需要將水加熱成水蒸氣再經(jīng)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(wú)害的產(chǎn)物，因此也是一種低污染性的能源。

2 燃料電池的分類(lèi)

　?。?）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。

　?。?）按電解質(zhì)的種類(lèi)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(zhì)子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池可以冷起動(dòng)和快起動(dòng)，可以作為移動(dòng)電源，滿(mǎn)足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

　?。?）按燃料類(lèi)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(jīng)過(guò)重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。

　?。?）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(zhì)子交換膜燃料電池，這類(lèi)燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質(zhì)量較輕。但催化劑鉑會(huì )與工作介質(zhì)中的一氧化碳發(fā)生作用后產(chǎn)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(jià)格很高，增加了燃料電池的成本。

　　另一類(lèi)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(lèi)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(lái)利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠(chǎng)中。

3 燃料電池的研究進(jìn)展

　　3.1 國內的研究現狀

　　早在20世紀50年代，我國就開(kāi)展燃料電池方面的研究，在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng )新方面取得了許多突破。政府十分注重燃料電池的研究開(kāi)發(fā)，陸續開(kāi)發(fā)出30 kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，相繼開(kāi)發(fā)出60 kW、75 kW等多種規格的質(zhì)子交換膜燃料電池組。開(kāi)發(fā)出電動(dòng)轎車(chē)用凈輸出40 kW、城市客車(chē)用凈輸出100 kW燃料電池發(fā)動(dòng)機，使中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進(jìn)國家行列。

　　國內對質(zhì)子交換膜燃料電池的各個(gè)組件的開(kāi)發(fā)研究都取得了較大的進(jìn)展。其中對于催化劑方面：清華大學(xué)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(dòng)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(cháng)春應用化學(xué)研究所研制出納米級高活性電催化劑用作陽(yáng)極催化劑。該催化劑粒度均勻，粒徑約（4±0.5）nm，電化學(xué)性能優(yōu)于國際同類(lèi)產(chǎn)品；復旦大學(xué)利用沉淀方法在表面活性劑存在時(shí)，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(shí)普遍把粉末狀活性炭加入氯鉑酸溶液，再加入過(guò)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(zhì)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(kāi)發(fā)出橫板涂敷法，在一片質(zhì)子交換膜上制作多個(gè)膜電極的燃料電池，由一片質(zhì)子交換膜、多個(gè)催化層和多個(gè)擴散層組成多個(gè)膜電極，由多個(gè)膜電極和多個(gè)導流板組成多個(gè)發(fā)電單元；北京太陽(yáng)能新技術(shù)公司研制出陶瓷型無(wú)機復合材料厚膜電極，材料中組分質(zhì)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(wú)機粘結劑摻合，絲網(wǎng)印刷，燒結，形成微觀(guān)網(wǎng)絡(luò )式導電通道。

　　在質(zhì)子交換膜方面：清華大學(xué)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(fā)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(fā)劑，再經(jīng)處理便制得此種質(zhì)子交換膜。

　　在雙極板方面：天津電源研究所研制出實(shí)用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應區域、氣體進(jìn)口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應區域周?chē)謩e設有凹槽，氣體進(jìn)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(cháng)了其壽命，提高了性能；大連化學(xué)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(gè)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(zhì)方面：吉林大學(xué)研制出固體復合電解質(zhì)，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(jīng)過(guò)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(zhì)，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多種燃料；上海交通大學(xué)研制出新型電解質(zhì)—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(yáng)離子組分。

　　3.2 國外的研究現狀

　　發(fā)達國家都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，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(fā)電機及內燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車(chē)上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網(wǎng)調峰問(wèn)題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發(fā)電設備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠(chǎng)相繼在一些發(fā)達國家建成。

　　燃料電池的高效率、無(wú)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(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進(jìn)入工業(yè)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(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。

　　由于堿性燃料電池在實(shí)際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，會(huì )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(chē)動(dòng)力等方面，并將研究重點(diǎn)轉向了質(zhì)子交換膜燃料電池，只有少數機構還在對堿性燃料電池進(jìn)行研究。為了解決堿性燃料電池這一問(wèn)題國外進(jìn)行了大量的研究工作。

　　E. Gulzow等研究發(fā)現：當電極采用特殊方法制備時(shí)，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(shí)也避免了電極被電解液完全淹沒(méi)，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(jìn)入電極，在發(fā)生電化學(xué)反應的區域形成1個(gè)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(guò)濾法，通過(guò)控制PTFE的含量和碾磨時(shí)間來(lái)優(yōu)化電極的性能。研究表明：當PTFE的含量為8％（質(zhì)量分數）、碾磨時(shí)間為60 s時(shí)，電極性能最好。通過(guò)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(jìn)行連續3 500 h的實(shí)驗，未發(fā)現CO2對電極的壽命和性能帶來(lái)影響，說(shuō)明新的電極制備方法可解決電極CO2毒化的問(wèn)題。

　　另外也有人提出采用氨作為氫源，避免CO2的毒化問(wèn)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(jià)格低，已有比較完善的生產(chǎn)、運輸體系，而氫的使用則需要較長(cháng)時(shí)間進(jìn)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(huì )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(gè)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(fā)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(zhuān)利芯片來(lái)簡(jiǎn)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(gè)流質(zhì)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(dòng)直接甲醇燃料電池技術(shù)。整個(gè)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(chǎn)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(gè)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(diǎn)決定了它具有廣闊的應用前景。它可以用作小型發(fā)電設備；作為長(cháng)效電池；應用在電動(dòng)汽車(chē)上。

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

　　目前燃料電池研究與開(kāi)發(fā)集中在4個(gè)方面：（1）電解質(zhì)膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統結構。日美歐各廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)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(kāi)發(fā)。第4方面的研究課題是燃料電池的系統結構，前3個(gè)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(kāi)發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決世界節能和環(huán)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(wèn)題，如電極材料、制造成本、操作溫度過(guò)高等等問(wèn)題，但瑕不掩瑜，加快固體氧化物燃料電池發(fā)展必然是世界能源發(fā)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(fā)展趨勢。其關(guān)鍵部件的材料制備成為制約固體氧化物燃料電池發(fā)展的瓶頸。應突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）高性能電極材料及其制備技術(shù)；（2）新型電解質(zhì)材料及電極支撐電解質(zhì)隔膜的制備技術(shù)；（3）電池結構優(yōu)化設計及其制備技術(shù)；（4）電池的結構、性能與表征的研究。

5 結束語(yǔ)

　　燃料電池的研究與發(fā)展，為便攜式電子設備帶來(lái)一場(chǎng)深刻的革命，并且還會(huì )波及到汽車(chē)業(yè)、住宅以及社會(huì )各方面的集中供電系統。它將把人們由集中供電帶進(jìn)分散供電的新時(shí)代。因為太陽(yáng)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(wèn)題。而燃料電池供電，沒(méi)有二氧化碳的排放，解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問(wèn)題，是純正的綠色清潔能源。

　　隨著(zhù)燃料電池關(guān)鍵技術(shù)瓶頸得以解決，以及新技術(shù)開(kāi)發(fā)研究和商業(yè)化運作，發(fā)展中的燃料電池技術(shù)必將能夠加快我國經(jīng)濟建設與可持續化發(fā)展步伐。