燃料電池技術

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現階段，最主要也是最具前景的氫能利用方式就是燃料電池。燃料電池是唯一同時兼備無污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續工作和積木化的動力源，其主要應用途徑是汽車用。過去10年西方汽車商在研究開發燃料電池上的投資高達100億美元，其中80%用于開發車用燃料電池。預計未來5年西方在該領域的投入至少還將增加40億美元。2002年美國政府對燃料電池研究的投入約為2.2億美元，日本的研發預算也增加到2.2億美元。美國ArthurD.Little公司估計，2007年燃料電池在運輸方面的商業價值將達到90億美元。美國、德國、日本在目前的燃料電池技術研發（氫能開發）領域處于領先地位。

燃料電池的類型主要有質子交換膜燃料電池（PEMFC，最有前途）；堿性燃料電池（AFC）；磷酸鹽型燃料電池（PAFC）；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）；固體氧化物燃料電池（SOFC）。

表燃料電池的應用領域

PEMFCAFCPAFCMCFCSOFC

固定

分布式

電源電網側集中式不可能不可能不可能可能可能

分布式不可能不可能不可能可能可能

發電功率再生不可能不可能可能可能可能

用戶側發電住宅可能研究中不可能研究中可能

商用可能研究中可能可能可能

輕工業研究中研究中可能可能可能

重工業不可能不可能可能可能可能

交通動力裝置輕型可能不可能不可能不可能不可能

重型可能不可能研究中研究中研究中

輔助動力輕&重型可能不可能不可能不可能可能

可攜式特級應用娛樂，軍事可能不可能不可能不可能可能

微型電子，軍事可能不可能不可能不可能不可能

資料來源：DOE上海科技情報研究所鐘婷整理

I.堿性燃料電池（AFC）

這種電池用35%~45%KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質隔膜材料中，工作溫度小于100℃。該種電池的優點是氧在堿液中的電化學反應速度比在酸性液中大，因此有較大的電流密度和輸出功率。但氧化劑應為純氧，電池中貴金屬催化劑用量較大，而利用率不高。目前，此類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。發展堿性燃料電池的核心技術是要避免二氧化碳對堿性電解液成分的破壞，不論是空氣中百萬分之幾的二氧化碳成分還是烴類的重整氣使用時所含有的二氧化碳，都要進行去除處理，這無疑增加了系統的總體造價。此外，電池進行電化學反應生成的水需及時排出，以維持水平衡。因此，簡化排水系統和控制系統也是堿性燃料電池發展中需要解決的核心技術。

II.酸型燃料電池（PAFC）

這種電池采用磷酸為電解質，工作溫度200℃左右。其突出優點是貴金屬催化劑用量比堿性氫氧化物燃料電池大大減少，還原劑的純度要求有較大降低，一氧化碳含量可允許達5%。該類電池一般以有機碳氫化合物為燃料，正負電極用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，電解質為85%的H3PO4。在100~200℃范圍內性能穩定，導電性強。磷酸電池較其他燃料電池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，國際上功率較大的實用燃料電池電力站均用這種燃料的電池。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200kW級的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料電池。到2002年初，美國已在全世界安裝測試了200kWPAFC發電裝置235套，累計發電470萬小時。在美國和日本，有幾套裝置已達到連續發電1萬小時的設計目標。歐洲現有5套200kWPAFC發電裝置在運轉。日本福日電器和三菱電器已經開發出500kWPAFC發電系統。我國魏子棟等人進行Pt3（Fe/Co）/C氧還原電催化劑的研究，并提出了Fe/Co對Pt的錨定效應。磷酸型燃料電池發電技術目前已得到高速發展，但是其啟動時間較長以及余熱利用價值低等發展障礙導致其發展速度減緩。

III.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

這種電池用兩種或多種碳酸鹽的低融混合物為電解質，如用堿-碳酸鹽低溫共融體滲透進多孔性基質，電極為鎳粉燒制而成，陰極粉末中含多種過渡金屬元素作穩定劑，主要是在美國、日本和西歐研究和利用較多。2~5MW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，美國燃料電池能源公司已在實驗室測試263kWMCFC發電裝置。意大利Ansaldo公司與西班牙Spanishcomp’s合作開發100kWMCFC發電裝置和500kWMCFC發電裝置。日本日立公司2000年開發出1MW的MCFC發電裝置。東芝開發出低成本的10kWMCFC發電裝置。MCFC中陰極、陽極、電解質隔膜和雙極板是基礎研究的四大難點，這四大部件的集成和對電解質的管理是MCFC電池組及電站模塊的安裝和運轉的技術核心。

IV.固體氧化物燃料電池（SOFC）

電池中的電解質是復合氧化物，在高溫（1000℃以下）時，有很強的離子導電功能。它是由于鈣、鐿或釔等混入離子價態低于鋯離子的價態，使有些氧負離子晶格位空出來而導電。目前世界各國都在研制這類電池，并已有實質性的進展，但存在缺點：制造成本較高；溫度太高；電介質易裂縫；電阻較大。目前已開發了管式、平板式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。美國和日本多家公司正在開發10kW平面輪機SOFC發電裝置。德國西門子-西屋電器公司正在測試100kWSOFC管狀工作堆，美國在測試25kWSOFC工作堆。國內大都處于SOFC的基礎研究階段。SOFC在高溫下工作也給其帶來一系列材料，密封和結構上的問題，如電極的燒結，電解質與電極之間的界面化學擴散以及熱膨脹系數不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩定性等。這些也在一定程度上制約著SOFC的發展，成為其技術突破的關健方面。

V.質子交換膜燃料電池（PEMFC）

它是繼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。在美國《時代周刊》的社會調查結果中被列為21世紀十大科技新技術之首。美國多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究開發出便攜式PEMFC發電堆。加拿大電力系統公司與日本的EBARA公司合作研究開發250kWPEMFC發電設備和1kWPEMFC便攜式發電系統。德國在柏林建造了一個250kWPEMFC的實驗堆。質子交換膜燃料電池的核心技術是電極-膜-電極三合一組件的制備技術。為了向氣體擴散，電極內加入質子導體，并改善電極與膜的接觸，采用熱壓的方法將電極、膜、電極壓合在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，其中，質子交換膜的技術參數直接影響著三合一組件的性能，因而關系到整個電池及電池組的運行效率。PEMFC的價格也制約著其商業化進程，因此，改進其必要組件性能，降低運行成本，是發展PEMFC的重要方向。

進入20世紀90年代后，由于人們對環境保護的日益重視和質子交換膜燃料電池技術的高速進步和顯著優點，質子交換膜燃料電池在民用方面，尤其是電動車方面的應用引起了各國政府和企業的高度關注，并紛紛投巨資進行研究，使PEMFC技術得到了進一步的飛速發展，性能得到很大提高，成本也不斷降低。在鉑的使用量方面，Ballard公司通過采用一種新工藝，已經使載鉑量降為0.02mg/cm2。在質子交換膜方面，Ballard公司開發的BAM3G新型部分氟化質子交換膜，性能優于目前普遍使用的Nafion系列膜，而成本僅是其20％左右。技術的進步使PEMFC的功率密度也大大提高，Ballard公司生產的電池組體積比功率已超過1300W/L，超過了DOE（美國能源部）制定的電動車標準。

隨著PEMFC技術的飛速發展，實用的PEMFC已經開始應用于各個領域。德國海軍已經配備了4艘用Siemens公司制造的300KWPEMFC作為動力源的潛艇，Ballard公司已經開始出售商業化的250KWPEMFC發電裝置、電動車用PEMFC和各種便攜式電源，日本豐田等汽車公司則已經推出商業化的燃料電池電動車。