燃料電池研究進展及其應(yīng)用前景

　　能源問題近些年一直受到廣泛的關(guān)注。隨著三大化石能源的不斷使用，能源儲備、過度開采，環(huán)境問題越來越嚴重。世界能源組織調(diào)查顯示，包括煤、石油、天然氣等在內(nèi)的礦物質(zhì)能源將在未來的100~200年內(nèi)耗盡，新的能源利用技術(shù)將被不斷的開發(fā)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(xué)反應(yīng)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(xiàn)在運用最廣泛的汽油。最常見是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學(xué)危險、對環(huán)境無污染，發(fā)電后產(chǎn)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(chǎn)生的電量較小，無法瞬間提供大量電能，因此只能用于平穩(wěn)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(yīng)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)過燃燒來加熱水，使水沸騰產(chǎn)生水蒸汽并推動渦輪進行發(fā)電。這種轉(zhuǎn)換方式大部分的能量通常都轉(zhuǎn)為無用的熱能，轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)?shù)牡?，只?0%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(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水，因無需推動渦輪機等發(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(zhuǎn)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(chǎn)物，因此也是一種低污染性的能源。

2 燃料電池的分類

　?。?）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(jīng)過重整器“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(zhuǎn)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。但催化劑鉑會與工作介質(zhì)中的一氧化碳發(fā)生作用后產(chǎn)生“中毒”現(xiàn)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(fù)合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。

3 燃料電池的研究進展

　　3.1 國內(nèi)的研究現(xiàn)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(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發(fā)，陸續(xù)開發(fā)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(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，相繼開發(fā)出60 kW、75 kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組。開發(fā)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(fā)動機，使中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進國家行列。

　　國內(nèi)對質(zhì)子交換膜燃料電池的各個組件的開發(fā)研究都取得了較大的進展。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(yīng)用化學(xué)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(xué)性能優(yōu)于國際同類產(chǎn)品；復(fù)旦大學(xué)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(yīng)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發(fā)出橫板涂敷法，在一片質(zhì)子交換膜上制作多個膜電極的燃料電池，由一片質(zhì)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(dǎo)流板組成多個發(fā)電單元；北京太陽能新技術(shù)公司研制出陶瓷型無機復(fù)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(dǎo)電粉末等氧化物組成的無機粘結(jié)劑摻合，絲網(wǎng)印刷，燒結(jié)，形成微觀網(wǎng)絡(luò)式導(dǎo)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用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應(yīng)區(qū)域、氣體進口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應(yīng)區(qū)域周圍分別設(shè)有凹槽，氣體進口、氣體出口與氣體反應(yīng)區(qū)域之間分別設(shè)置有暗孔道。該設(shè)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(xué)物理研究所研制出的雙極板由3層薄金屬板構(gòu)成，中間為導(dǎo)電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導(dǎo)流板，條狀溝槽占整個工作面積的50％~80%。這種新穎的設(shè)計提高了反應(yīng)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(fù)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)過混合、研磨、燒結(jié)、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(jié)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(cè)基、羧酸鹽側(cè)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(xiàn)狀

　　發(fā)達國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。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(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2 MW、4.5 MW、11 MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。

　　燃料電池的高效率、無污染、建設(shè)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入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)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(xiàn)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(zhuǎn)向了質(zhì)子交換膜燃料電池，只有少數(shù)機構(gòu)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(fā)現(xiàn)：當(dāng)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域形成1個3相區(qū)；S. Rahman等將通常電極制備的干法和濕法相結(jié)合，提出了過濾法，通過控制PTFE的含量和碾磨時間來優(yōu)化電極的性能。研究表明：當(dāng)PTFE的含量為8％（質(zhì)量分數(shù)）、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(xù)3 500 h的實驗，未發(fā)現(xiàn)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(chǎn)、運輸體系，而氫的使用則需要較長時間進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。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(shù)），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(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專利芯片來簡化燃料電池內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(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(shè)計，并使用了被動直接甲醇燃料電池技術(shù)。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(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，并且整個芯片的重量不足29 g。

4 燃料電池的應(yīng)用前景

　　燃料電池的特點決定了它具有廣闊的應(yīng)用前景。它可以用作小型發(fā)電設(shè)備；作為長效電池；應(yīng)用在電動汽車上。

　　燃料電池用作發(fā)電設(shè)備，是因為其價格有可能與一般的發(fā)電設(shè)備相競爭。但燃料電池在電動汽車上的商業(yè)應(yīng)用前景是遠期的，因為汽車需要的是發(fā)電機，發(fā)電機的價格遠比燃料電池要便宜，因此在短期內(nèi)，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(fā)集中在4個方面：（1）電解質(zhì)膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。日美歐各廠家開發(fā)面向便攜電子設(shè)備的燃料電池，尤其重視（1）~（3）方面的材料研究與開發(fā)。第4方面的研究課題是燃料電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，前3個方面是構(gòu)成燃料電池的必要準備，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是燃料電池的最終結(jié)果。

　　燃料電池，特別是固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決世界節(jié)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(yīng)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(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(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其制備技術(shù)；（4）電池的結(jié)構(gòu)、性能與表征的研究。

5 結(jié)束語

　　燃料電池的研究與發(fā)展，為便攜式電子設(shè)備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業(yè)、住宅以及社會各方面的集中供電系統(tǒng)。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(fā)電使全球環(huán)境污染的問題，是純正的綠色清潔能源。

　　隨著燃料電池關(guān)鍵技術(shù)瓶頸得以解決，以及新技術(shù)開發(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(shè)與可持續(xù)化發(fā)展步伐。