燃料電池的發展現狀與未來方向研究

摘 要：本文首先闡述了目前國內和國外燃料電池的發展狀況，然后介紹了部分燃料電池的優缺點，以及不同種類電池的適用場景，最后概述了目前燃料電池發展的技術難關，總結了燃料電池發展歷史上的經驗，并展望了未來燃料電池的發展方向。

關鍵詞：質子交換膜；燃料電池；成本與壽命

中圖分類號：TM911.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0143-02

Study on the Current Status and Future Directions of Fuel Cell

GUAN Qingpeng

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This paper described the current situation of the domestic and foreign fuel cell development， and then introduced the advantages and disadvantages of part of the fuel cell， and the application scene of batteries of different types， and finally summarized the technical difficulties at present fuel cell development， summarized the development history of the fuel cell on the experience and prospect of fuel cell.

Keywords： proton exchange membrane；fuel cell；cost and life

1 研究背景

科學的道路上充滿著荊棘，事物的發展總是曲折前進。與采用內燃機的傳統汽車相比，燃料電池汽車算是一個新穎的事物，其顛覆了汽車的傳統動力源。隨著環境問題和能源問題日益嚴重，新能源的崛起已勢不可擋。其中，燃料電池憑借其高效率和零污染的優勢被普遍認為具有廣闊的發展前景。

1.1 國內研究現狀

1958年，中國開始進行燃料電池的探索。由于航天飛行在20世紀70年代異常火熱，中國燃料電池的探索借此機會也出現了第一次發展高潮。到1995年左右，“九五”科學攻關時期，中科院聯合科技部將燃料電池技術列入攻關項目。借此東風，燃料電池迅速發展。我國這方面的專家對燃料電池的基礎技術進行了改進，并且在單項技術上取得了較大突破。但是，我國對燃料電池的投資較少，其發展受到制約，與加拿大、日本、歐洲等發達國家和地區相比仍存在較大差距。2016年11月，全球環境基金（GEF）“促進中國燃料電池汽車商業化發展”項目交流會正式召開。科技部聯合財政部、北京市、上海市，與GEF和UNDP共同成功實施了兩期“中國燃料電池公共汽車商業化示范項目”，示范效果顯著，目前正在開展第三期“促進中國燃料電池汽車商業化發展”項目。

1.2 國外研究現狀

目前，歐洲、加拿大、美國在燃料電池發電方面正以迅猛的勢頭快速進入工業化規模示范時期，燃料電池將成為21世紀第四代新型發電方式。世界發達國家如此大力地發展燃料電池產業，這說明其是能源產業、電力產業無可規避的模塊，應引起我國的重視。2017年5月，一種新的合金（銥和鈷的固態溶體）在俄羅斯科學家的共同努力下被研制出來，這是一項重大的發現，因為這種新型合金可以代替原來燃料電池中的貴重金屬鉑作為催化劑。

燃料電池的能源利用率極高，只要給其不斷地添加燃料和氧化劑，其就可以重復使用。之前的PEMFC多使用鉑作為催化劑，在反應過程中，鉑會不斷被消耗，而鉑作為貴金屬幾乎占了燃料電池成本的70%左右。

銥比鉑便宜一半左右，更重要的是，使用銥作為催化劑，電池的壽命更長。

2 燃料電池種類及特點

2.1 燃料電池的種類

2.1.1 質子交換膜燃料電池（PEMFC）。質子交換膜燃料電池（PEMFC），又稱固體高分子電解質燃料電池，是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，膜極組和集電板串聯組合成一個燃料電池堆[1]。質子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池3種。目前，氫燃料電池備受研究開發人員的青睞，其結構緊湊，工作溫度低（80℃左右），啟動迅速，工作密度高，工作壽命長。

2.1.2 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以高溫下處于熔融狀態的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質，工作溫度600～700℃，發電效率45%～55%，具有不需要使用貴金屬催化劑、也可不使用純氫、熱點聯產能量轉化率高的特點。因650℃的碳酸鹽具有強腐蝕性，因此，MCFC陽極通常采用多孔鎳電極，陰極采用燒結鎳電池。1991年后，日本把該型電池作為研究重點。

各個燃料電池的電化學效率、燃料、氧化劑、電解質等如表1所示。

2.2 燃料電池的特點

燃料電池的電化學效率相對較高，且不受卡諾循環的影響。反應的產物只有水，幾乎是零污染。概括來說，燃料電池有如下特點：系統的轉化效率為45%～60%，而火電、核電的轉化效率為30%～40%。燃料電池建設時間短，質量輕便，移動迅速，可以根據需要進行電堆疊加，且負荷的響應時間短，達到額定功率所需時間短。

3 燃料電池的應用與示范

3.1 固定電站和分散式電站

FC首先可以應用在固定式亦或是分散式的電站，發電效率得到很大提升。從長遠來說，可能會對未來的能源市場、能源占比、戰略儲備造成較大沖擊。

磷酸性燃料電池作發電站的技術越發穩定，碳黑和石墨原料不僅有較高的導電能力，而且質量輕，移動比較方便。陽極鉑催化劑載量現已降至0.1mg/cm2，陰極約為0.5mg/cm2。該電池的主要問題是在較高工作溫度（200℃）和壓力（0.8MPa）下[2]，燃料電池的催化劑活性降低與壽命的減短與主要結構使用材料的耐腐蝕性有關。

MCFC和SOFC均屬于高溫性燃料電池，有較高的發電余熱，算上發電余熱的話，其燃料的總熱電利用率可達60%～70%或70%～80%。對于發電能力為50kW左右的小型電站來說，氣象通信方面都有較優的使用價值；發電能力為200～500kW的中型電站，可用于熱電聯供；而發電能力在1 000kW以上的MCFC電站，能與熱機進行更高層次的循環發電，為某區域供電或者與市電網合并。

3.2 交通運輸方面

現如今，PFMFC在交通、運輸、載貨等方面前景廣闊，如航空航天的動力源及工地、醫院、學校等使用的移動電源。PEMFC在汽車上的使用也屢見不鮮。

4 燃料電池的發展方向

燃料電池的技術難關主要有四點：①催化劑成本高；②隔膜材料使用壽命達不到要求；③氫的貯存效率低，安全系數不夠；④運輸移動起來不夠安全等。因此，未來應在尋找廉價高效的催化劑及提高電池壽命方面下工夫，亦需對儲存及運輸進行改善。

現如今，燃料電池較發達國家下一代技術的重點在以下幾方面：①電極材料方面，催化劑利用率，電池膜的質子傳輸性；②電堆結構方面，水汽交融，熱量擴散，電池內阻等；③燃料電池系統，空氣再循環技術，控制能力，停機啟動策略等；④燃料電池動力系統，DC/DC的控制邏輯，汽車的性能指標等。

5 結語

不可否認的是，燃料電池在發展過程中還存在許多問題，但發展趨勢勢不可擋。在這股歷史洪流下，燃料電池各個單位及科技工作者應該協同合作。燃料電池的發展是一個多贏的模式：競爭中有合作，合作中適當的進行良性競爭。目前，有關燃料電池研發的瓶頸正在被不斷攻克，俄羅斯科學家研發出可代替金屬鉑的廉價燃料電池催化；日本開發出的高活性催化劑有望促進燃料電池的普及。行業內捷報不斷，燃料電池的發展勢頭愈發迅猛，其將成為未來電池發展的主要方向。

參考文獻：

[1]李建秋，方川，許梁飛.燃料電池汽車研究現狀及發展[J].汽車安全與節能學報，2014（1）：17-29.

[2]侯明，衣寶廉.燃料電池技術發展現狀與展望[J].電化學，2012（1）：1-13.