燃料電池的發展趨勢及研究進展

蔣清梅

(重慶化工職業學院，重慶 400020)

燃料電池的發展趨勢及研究進展

蔣清梅

(重慶化工職業學院，重慶 400020)

燃料電池是一種直接將化學能高效、環境友好地轉變為電能的電化學器件，是一種綠色能源，可同時解決節能和環保兩大世界難題。本文根據燃料電池的特點，綜述了燃料電池(PEMFC)的研究現狀及燃料電池的發展趨勢。

燃料電池；原理；研究現狀；發展趨勢

1 概述

燃料電池是一種將化學能轉化為電能的發電裝置，其轉化過程是一種不經過燃燒的電化學反應。燃料電池工作時，氫氣或者其他燃料輸入到陽極，并在電極和電解質的界面上發生氫氣或其他燃料氧化與氧氣還原的電化學反應，產生電流，輸出電能。與傳統的火力發電相比，燃料電池的發電效率不受卡諾循環限制，CO、CO2、SO2、NOx及未燃燒盡的有害物質排放量低，是繼水電和核電之后的一種清潔發電方式。

燃料電池是由正負兩個電極(負極為燃料電極,正極為氧化劑電極)以及電解質組成。一般電池的活性物質貯存在電池內部，限制了電池容量，而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是一個催化轉換元件。因此，燃料電池是名副其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。燃料電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，原則上只要反應物不斷的輸入，反應產物不斷的排除，燃料電池就能連續地發電了[1-2]。

2 燃料電池研究現狀

燃料電池是一種電化學發電裝置，等溫地按電化學方式將化學能轉化為電能，它不受卡諾循環限制，直接高效(40%～60%)，環境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物。由于這些突出的優點，有關燃料電池技術的研究和開發越來越受到各國政府與大公司的重視，被認為是21世紀首選的直接、高效、潔凈的發電技術[2]。

到目前為止，燃料電池已經出現了很多種技術和結構類型。根據電解質的不同，可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)等五大類。

2.1 堿性燃料電池(AFC)

AFC采用35%-45% KOH或NAOH溶液作為電解質，工作溫度一般為80 ℃，一些新型的設計可將其工作溫度降低到23-70 ℃。堿性燃料電池技術的發展已非常成熟，并已經在航天飛行及潛艇中成功應用。國內已研制出200 W氨-空氣的堿性燃料電池系統，制成了1,10 ,20 kW的堿性燃料電池，九十年代后期在跟蹤開發取得了非常有價值的成果[3]。

2.2 磷酸型燃料電池(PAFC)

PAFC是以磷酸為電解質的氫氧燃料電池，他用天然氣重整富氫氣體為燃料，空氣做氧化劑，以浸有濃H3PO4的SiO2微孔膜做電解質，Pt-C為催化劑，工作溫度150～220 ℃，發電效率達40%～50%。美國將磷酸型燃料電池列為國家級重點科研項目進行研究開發，向全世界出售200 kW級的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的(11 MW)磷酸型燃料電池。國內魏子棟等人進行Pt 3(Fe Co)/C氧還原電催化劑的研究上，并提出了Fe/Co對Pt的錨定效應[4]。

2.3 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

MCFC工作溫度為650～700 ℃，以浸有(K/Li)2CO3的LiALO2隔膜為電解質，電催化劑無需使用貴金屬，以雷尼鎳和氧化鎳為主；可用凈化煤氣和天然氣為燃料。MCFC主要是在美國、日本、和西歐研究和利用較多，2～5 MW外公用管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經問世，在解決MCFC的性能衰減和電解質遷移方面已取得突破。我國已將MCFC正式列入國家"九五"攻關計劃，已研制出1～5 kW的熔融碳酸鹽燃料電池[5]。

2.4 固體氧化物燃料電池(SOFC)

在SOFC的陽極一側通入燃料氣，燃料氣體通過陽極的多空結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極通入的空氣通過多孔結構，在陰極發生還原反應。目前已開發了管式、平板式[6]和瓦楞式等多種結構形成的固體氧化物燃料電池，這種燃料電池被稱為第三代燃料電池。國內大都處于SOFC的基礎研究階段。

2.5 質子交換膜燃料電池(PEMFC)

PEMFC的電極為多孔氣體擴散電極，以純鉑或碳載鉑作電催化劑，電解質為全氟磺酸型固體聚合物，氫氣為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速發展起來的溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應用最廣的第五代燃料電池，它是為航天和軍用電源而開發的。國內研制具有代表性的是利用AFC技術積累全面開展PEMFC研究；在以聚苯乙烯磺酸膜為電解質的PEMFC、Pt/C電催化劑制備、表征和解析方面也進行了廣泛的工作[7-8]。

3 我國燃料電池產業發展存在的主要問題

目前我國燃料電池的研究方向主要在燃料電池的應用方面，投入的人力、資金大多集中在如何應用于汽車上作為動力讓汽車跑起來，如何用在通訊機站上，并能夠快速切換電源；而燃料電池生產企業在提高燃料電池性能、壽命、降低成本方面的研發工作也大多集中在如何改善氣道、提高催化劑的均勻性和生產工藝的研究上。目前我國質子交換膜燃料電池尚未實現市場化，無論是燃料電池發動機、備用電源還是電站，都只是由政府買單的研發-示范項目的少量應用，還談不上商業化市場運行，能真正運行測試的也只有燃料汽車。要想進一步提高性能、提高壽命和降低成本，主要精力應該放在燃料電池的四大主材上，如果這四大主材在性能上沒有新的突破、沒有新功能材料的出現、沒有材料的國產化，那么要想達到上述目標幾乎是不可能的。

首先，從技術上，新概念的產生、發展與完善是燃料電池發展的關鍵。其次，材料科學是燃料電池發展的基礎。一種新的、性能優良的材料的發現并在燃料電池中的應用，將會促進燃料電池的飛速發展。我國燃料電池的發展要向高性能、高壽命、低成本的方向發展，這就要求我們要加大燃料電池用材料研發力度，加快燃料電池原材料的國產化步伐。雖然我國也有企業在研制質子交換膜、碳纖維材料、催化劑和石墨材料，但由于國家在這方面的支持力度沒有像支持燃料電池生產企業的力度那樣大，所以企業本身研發新材料的積極性不高，致使我國燃料電池企業生產了10多年還沒有能夠用上國產四大主材中的三大主材。近年來石墨材料已有了很大突破，板厚從3mm降到了現在的1mm，價格從最早的1元/cm2降到了現在的0.125元/cm2，但仍不能滿足商業化的要求。影響燃料電池產業化技術發展的因素，除了材料的問題，還有配套系統的設備問題。由于燃料電池供氣系統中空氣壓縮機不能提供足夠壓力和足夠流量的空氣，致使有些廠家犧牲掉燃料電池的效率去配套汽車的要求。因此為了達到設計功率就勢必要增加膜電極數量，所以說燃料電池技術的發展是一個多學科、多領域共同協作研發的系統工程。

4 燃料電池的發展趨勢[10]

隨著生物技術和電子技術的不斷發展，相信上述幾類已經商品化的燃料電池[9]在相關技術方面也會發生日新月異的變化，今后也將進行進一步的發展。

4.1 沿生物燃料電池發展

這種電池是用生物原料生產電能。即將生物原料通過反應器轉換成燃料氣體，經加工處理后作為燃料電池的原料，應用于分散電站，供家庭或城市用電；也可轉換成H2，用于電動汽車。這種電池的最大優點就是使用時不但不會產生污染，而且可以處理一些生活垃圾，美化了環境，這也是很吸引科學家的地方。

4.2 沿細菌燃料電池發展

燃料電池中另一個亮點是細菌電池。其基本原理是通過細菌發酵，把酸或糖類轉化氫氣，再將氫導入磷酸燃料電池后發電。美國設計出一種供遨游空用的細菌電池。

4.3 “巨型化”發展方向

巨型化，不是說增大燃料電池的體積和重量，而是指增加其工作能力，延長其壽命。80年代以來，隨著世界各國對燃料電池技術的重視，燃料電池技術得到了不斷的推進和發展。其性能變得更優越，“壽齡”也日益延長。燃料電池在21世紀將走向巨型化，將實現其商業化進程。

4.4 沿小型化方向發展

燃料電池今后的發展方向除了電動車輛，另一方向是燃料電池小型化，替代普通電池在膝上電腦，便攜式電子器件等方面的應用。

[1] Chun shan Song. Fuel processing for low temperature and high - temperature fuel cells: Challenges and opportunities for sustainable development in the 21 st century[J].Catalys is Today, 2002, 77(1/2): 17-49.

[2] Jeong Kwi Seong, Oh Byeong Soo. Fuel economy and life-cycle cost an alysis of a fuel cell hybrid vehicle[J]. Journal of Powr Sources. 2002, 105(1): 58-65.

[3] 邵志剛, 衣寶廉, 俞紅梅. 再生氫氧燃料電池[J].化學通報, 2000, 63(3): 22-26.

[4] 魏子棟, 郭鶴桐 ， 唐致遠. 氧在 Pt-Fe-Co /C 合金催化劑上的還原[J].催化學報, 1995, 16(2): 141-144.

[5] 毛宗強. 我國燃料電池技術進展[J]. [2012-03-15].http://www.docin.com/p-362584271.html.

[6] Drenekhanu W Grei mner. Ivers-Tiffee E [J]. Power J ,1994, 116: 117. Drenekhahu W, Greimner H, Ivers-T iffee E

[7] 衣寶廉. 燃料電池的現狀與未來[J]. Chinese Journal of Power source, 1998, 22(5): 216-221.

[8] 江 義, 李文釗, 王世忠. 化學進展[J]. 1997, 9(4): 398.

[9] LIN Zhong hua. Some Trends of Elect rochemistry in 21 st Century. Elect rochemistry[J]. 2002 8(1): 1.

[10] 胡躍華. 燃料電池的研究現狀及發展趨勢[J]. 贛南師范學院學報, 2002, 6:58-59.

TheLatestDevelopmentTrendandResearchProgressofFuelCell

JiangQingmei

(Chongqing Chemical Industry Vocational College ，Chongqing 40020,China)

Fuel cell with the conversion from chemical energy to electrical energy is an electrical-chemical device. As the conversion is high efficiency and environment friendly, it is considers as a green energy. Moreover, fuel cell can solve the problems of saving energy and protection environment. According to the features of fuel cell, the paper summarizes the research progress and developing of fuel cell, including alkalecent fuel cell (AFC), phosphate fuel cell (PAFC), melt carbonte fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC) and proton exchange membrane fuel cell.

fuel cell; mechanism; research progress; develop trends

2017-09-18

蔣清梅(1983—)，女，陜西寶雞人，講師。

TM911.4

A

1008-021X(2017)22-0056-02

(本文文獻格式：蔣清梅.燃料電池的發展趨勢及研究進展[J].山東化工，2017，46(22)：56-57.)

紅日化工通過“三合一”管理體系審核

近日，由專業審核員趙紅梅率領的方圓標志認證集團有限公司專家審核組蒞臨山東紅日化工股份有限公司，對紅日化工公司質量、環境、職業健康安全“三合一”管理體系進行換證審核。經過四天的認真審核后，專家組確認紅日化工公司“三合一”管理體系總體運行狀況良好。

本次審核是該公司“三合一”管理體系第三次換證審核，同時也是質量管理體系、環境管理體系新標準實施后的換版審核。專家組按照《審核計劃》及標準要求，對公司覆蓋復混肥料(復合肥料)開發和生產、副產鹽酸生產的“三合一”管理體系進行了全面審核。本次審核的目的是了解公司管理體系的基本情況；收集公司管理體系范圍、過程和場所的必要信息及管理體系的實施程度；確認公司文件所述的管理體系與審核準則的符合性、適宜性及體系運行的有效性。

(紅日化工公司 劉海青)