燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)方向研究

摘 要：本文首先闡述了目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外燃料電池的發(fā)展?fàn)顩r，然后介紹了部分燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)，以及不同種類(lèi)電池的適用場(chǎng)景，最后概述了目前燃料電池發(fā)展的技術(shù)難關(guān)，總結(jié)了燃料電池發(fā)展歷史上的經(jīng)驗(yàn)，并展望了未來(lái)燃料電池的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜；燃料電池；成本與壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)的道路上充滿(mǎn)著荊棘，事物的發(fā)展總是曲折前進(jìn)。與采用內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)汽車(chē)相比，燃料電池汽車(chē)算是一個(gè)新穎的事物，其顛覆了汽車(chē)的傳統(tǒng)動(dòng)力源。隨著環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，新能源的崛起已勢(shì)不可擋。其中，燃料電池憑借其高效率和零污染的優(yōu)勢(shì)被普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1958年，中國(guó)開(kāi)始進(jìn)行燃料電池的探索。由于航天飛行在20世紀(jì)70年代異常火熱，中國(guó)燃料電池的探索借此機(jī)會(huì)也出現(xiàn)了第一次發(fā)展高潮。到1995年左右，“九五”科學(xué)攻關(guān)時(shí)期，中科院聯(lián)合科技部將燃料電池技術(shù)列入攻關(guān)項(xiàng)目。借此東風(fēng)，燃料電池迅速發(fā)展。我國(guó)這方面的專(zhuān)家對(duì)燃料電池的基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并且在單項(xiàng)技術(shù)上取得了較大突破。但是，我國(guó)對(duì)燃料電池的投資較少，其發(fā)展受到制約，與加拿大、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比仍存在較大差距。2016年11月，全球環(huán)境基金（GEF）“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目交流會(huì)正式召開(kāi)?？萍疾柯?lián)合財(cái)政部、北京市、上海市，與GEF和UNDP共同成功實(shí)施了兩期“中國(guó)燃料電池公共汽車(chē)商業(yè)化示范項(xiàng)目”，示范效果顯著，目前正在開(kāi)展第三期“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，歐洲、加拿大、美國(guó)在燃料電池發(fā)電方面正以迅猛的勢(shì)頭快速進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模示范時(shí)期，燃料電池將成為21世紀(jì)第四代新型發(fā)電方式。世界發(fā)達(dá)國(guó)家如此大力地發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)，這說(shuō)明其是能源產(chǎn)業(yè)、電力產(chǎn)業(yè)無(wú)可規(guī)避的模塊，應(yīng)引起我國(guó)的重視。2017年5月，一種新的合金（銥和鈷的固態(tài)溶體）在俄羅斯科學(xué)家的共同努力下被研制出來(lái)，這是一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@種新型合金可以代替原來(lái)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(fù)使用。之前的PEMFC多使用鉑作為催化劑，在反應(yīng)過(guò)程中，鉑會(huì)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(zhǎng)。

2 燃料電池種類(lèi)及特點(diǎn)

2.1 燃料電池的種類(lèi)

2.1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），又稱(chēng)固體高分子電解質(zhì)燃料電池，是一種以含氫燃料與空氣作用產(chǎn)生電力與熱力的燃料電池，膜極組和集電板串聯(lián)組合成一個(gè)燃料電池堆[1]。質(zhì)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(kāi)發(fā)人員的青睞，其結(jié)構(gòu)緊湊，工作溫度低（80℃左右），啟動(dòng)迅速，工作密度高，工作壽命長(zhǎng)。

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(tài)的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質(zhì)，工作溫度600～700℃，發(fā)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(diǎn)聯(lián)產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)。因650℃的碳酸鹽具有強(qiáng)腐蝕性，因此，MCFC陽(yáng)極通常采用多孔鎳電極，陰極采用燒結(jié)鎳電池。1991年后，日本把該型電池作為研究重點(diǎn)。

各個(gè)燃料電池的電化學(xué)效率、燃料、氧化劑、電解質(zhì)等如表1所示。

2.2 燃料電池的特點(diǎn)

燃料電池的電化學(xué)效率相對(duì)較高，且不受卡諾循環(huán)的影響。反應(yīng)的產(chǎn)物只有水，幾乎是零污染。概括來(lái)說(shuō)，燃料電池有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率為45%～60%，而火電、核電的轉(zhuǎn)化效率為30%～40%。燃料電池建設(shè)時(shí)間短，質(zhì)量輕便，移動(dòng)迅速，可以根據(jù)需要進(jìn)行電堆疊加，且負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間短，達(dá)到額定功率所需時(shí)間短。

3 燃料電池的應(yīng)用與示范

3.1 固定電站和分散式電站

FC首先可以應(yīng)用在固定式亦或是分散式的電站，發(fā)電效率得到很大提升。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，可能會(huì)對(duì)未來(lái)的能源市場(chǎng)、能源占比、戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備造成較大沖擊。

磷酸性燃料電池作發(fā)電站的技術(shù)越發(fā)穩(wěn)定，碳黑和石墨原料不僅有較高的導(dǎo)電能力，而且質(zhì)量輕，移動(dòng)比較方便。陽(yáng)極鉑催化劑載量現(xiàn)已降至0.1mg/cm2，陰極約為0.5mg/cm2。該電池的主要問(wèn)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(jié)構(gòu)使用材料的耐腐蝕性有關(guān)。

MCFC和SOFC均屬于高溫性燃料電池，有較高的發(fā)電余熱，算上發(fā)電余熱的話(huà)，其燃料的總熱電利用率可達(dá)60%～70%或70%～80%。對(duì)于發(fā)電能力為50kW左右的小型電站來(lái)說(shuō)，氣象通信方面都有較優(yōu)的使用價(jià)值；發(fā)電能力為200～500kW的中型電站，可用于熱電聯(lián)供；而發(fā)電能力在1 000kW以上的MCFC電站，能與熱機(jī)進(jìn)行更高層次的循環(huán)發(fā)電，為某區(qū)域供電或者與市電網(wǎng)合并。

3.2 交通運(yùn)輸方面

現(xiàn)如今，PFMFC在交通、運(yùn)輸、載貨等方面前景廣闊，如航空航天的動(dòng)力源及工地、醫(yī)院、學(xué)校等使用的移動(dòng)電源。PEMFC在汽車(chē)上的使用也屢見(jiàn)不鮮。

4 燃料電池的發(fā)展方向

燃料電池的技術(shù)難關(guān)主要有四點(diǎn)：①催化劑成本高；②隔膜材料使用壽命達(dá)不到要求；③氫的貯存效率低，安全系數(shù)不夠；④運(yùn)輸移動(dòng)起來(lái)不夠安全等。因此，未來(lái)應(yīng)在尋找廉價(jià)高效的催化劑及提高電池壽命方面下工夫，亦需對(duì)儲(chǔ)存及運(yùn)輸進(jìn)行改善。

現(xiàn)如今，燃料電池較發(fā)達(dá)國(guó)家下一代技術(shù)的重點(diǎn)在以下幾方面：①電極材料方面，催化劑利用率，電池膜的質(zhì)子傳輸性；②電堆結(jié)構(gòu)方面，水汽交融，熱量擴(kuò)散，電池內(nèi)阻等；③燃料電池系統(tǒng)，空氣再循環(huán)技術(shù)，控制能力，停機(jī)啟動(dòng)策略等；④燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，DC/DC的控制邏輯，汽車(chē)的性能指標(biāo)等。

5 結(jié)語(yǔ)

不可否認(rèn)的是，燃料電池在發(fā)展過(guò)程中還存在許多問(wèn)題，但發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)不可擋。在這股歷史洪流下，燃料電池各個(gè)單位及科技工作者應(yīng)該協(xié)同合作。燃料電池的發(fā)展是一個(gè)多贏的模式：競(jìng)爭(zhēng)中有合作，合作中適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行良性競(jìng)爭(zhēng)。目前，有關(guān)燃料電池研發(fā)的瓶頸正在被不斷攻克，俄羅斯科學(xué)家研發(fā)出可代替金屬鉑的廉價(jià)燃料電池催化；日本開(kāi)發(fā)出的高活性催化劑有望促進(jìn)燃料電池的普及。行業(yè)內(nèi)捷報(bào)不斷，燃料電池的發(fā)展勢(shì)頭愈發(fā)迅猛，其將成為未來(lái)電池發(fā)展的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建秋，方川，許梁飛.燃料電池汽車(chē)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（1）：17-29.

[2]侯明，衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué)，2012（1）：1-13.