隨著自然資源的日益缺乏和人們環(huán)保意識的提高，當(dāng)今燃料電池的研制得到了更多的重視和快速發(fā)展。燃料電池是一種直接將化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)器件，理論轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%，是一種綠色能源，可同時(shí)解決節(jié)能和環(huán)保兩大世界難題，因此西方各個(gè)國家諸如日本，美國及歐洲等都有燃料電池方面的研究和開發(fā)計(jì)劃，我國也在加快燃料電池的研究進(jìn)程。

燃料電池發(fā)展到今天已經(jīng)有近200年的歷史，其中真正得到世界的廣泛關(guān)注是在20世紀(jì)50年代，距離今天也不過50年左右，但是燃料電池的技術(shù)發(fā)展卻是突飛猛進(jìn)的。

一、燃料電池的研究現(xiàn)狀

1、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(zhì)隔膜材料中，工作溫度小于100e。該種電池的優(yōu)點(diǎn)是氧在堿液中的電化學(xué)反應(yīng)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(yīng)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(shù)的發(fā)展已非常成熟，并已經(jīng)在航天飛行及特種中成功應(yīng)用。國內(nèi)已研制出200W氨-空氣的堿性燃料電池系統(tǒng)，制成了1kW、10kW、20kW的堿性燃料電池，20世紀(jì)90年代后期在跟蹤開發(fā)中取得了非常有價(jià)值的成果。

發(fā)展堿性燃料電池的核心技術(shù)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(shí)所含有的二氧化碳，都要進(jìn)行去除處理，這無疑增加了系統(tǒng)的總體造價(jià)。此外，電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成的水需及時(shí)排出，以維持水平衡。因此，簡化排水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也是堿性燃料電池發(fā)展中需要解決的核心技術(shù)。

2、磷酸型燃料電池(PAFC)

這種電池采用磷酸為電解質(zhì)，工作溫度200e左右。其突出優(yōu)點(diǎn)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(dá)5%。該類電池一般以有機(jī)碳?xì)浠衔餅槿剂?，正?fù)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(zhì)為85%的H3PO4。在100~200e范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，導(dǎo)電性強(qiáng)。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(shí)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(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研究開發(fā)，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(fā)電裝置235套，累計(jì)發(fā)電470萬小時(shí)。2001年賣出23套。

在美國和日本，有幾套裝置已達(dá)到連續(xù)發(fā)電1萬小時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。歐洲現(xiàn)有5套200kWPAFC發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。

日本福日電器和三菱電器已經(jīng)開發(fā)出500kWPAFC發(fā)電系統(tǒng)。我國魏子棟等人進(jìn)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(yīng)。磷酸型燃料電池發(fā)電技術(shù)目前已得到高速發(fā)展，但是其啟動時(shí)間較長以及余熱利用價(jià)值低等發(fā)展障礙導(dǎo)致其發(fā)展速度減緩。

3、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(zhì)，如用堿-碳酸鹽低溫共融體滲透進(jìn)多孔性基質(zhì)，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(wěn)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(jīng)問世，在解決MCFC的性能衰減和電解質(zhì)遷移方面已取得突破。美國燃料電池能源公司目前正在實(shí)驗(yàn)室測試263kWMCFC發(fā)電裝置。意大利Ansaldo公司與西班牙Spanishcomp。s合作開發(fā)100kWMCFC發(fā)電裝置和500kWMCFC發(fā)電裝置。日本日立公司2000年開發(fā)出1MMCFC發(fā)電裝置。三菱公司2000年開發(fā)出200kWMCFC發(fā)電裝置。

東芝開發(fā)出低成本的10kWMCFC發(fā)電裝置。我國已將MCFC正式列入國家“九五”攻關(guān)計(jì)劃，已研制出1~5kW的熔融碳酸鹽燃料電池。MCFC中陰極、陽極、電解質(zhì)隔膜和雙極板是基礎(chǔ)研究的4大難點(diǎn)，這4大部件的集成和對電解質(zhì)的管理是MCFC電池組及電站模塊的安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)核心。

4、固體氧化物燃料電池(SOFC)

電池中的電解質(zhì)是復(fù)合氧化物，在高溫(1000e以下)時(shí)，有很強(qiáng)的離子導(dǎo)電功能。它是由于鈣、鐿或釔等混入離子價(jià)態(tài)低于鋯離子的價(jià)態(tài)，使有些氧負(fù)離子晶格位空出來而導(dǎo)電。目前世界各國都在研制這類電池，并已有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但存在缺點(diǎn)：制造成本較高；溫度太高；電介質(zhì)易裂縫；電阻較大。目前已開發(fā)了管式、平板式和瓦楞式等多種結(jié)構(gòu)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(fā)10kW平面輪機(jī)SOFC發(fā)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(nèi)大都處于SOFC的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)上的問題，如電極的燒結(jié)，電解質(zhì)與電極之間的界面化學(xué)擴(kuò)散以及熱膨脹系數(shù)不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩(wěn)定性等。這些也在一定程度上制約著SOFC的發(fā)展，成為其技術(shù)突破的關(guān)鍵方面。

5、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速發(fā)展起來的溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應(yīng)用最廣的第五代燃料電池，它是為航天和特種電源而開發(fā)的。在美國5時(shí)代周刊6的社會調(diào)查結(jié)果中被列為21世紀(jì)十大科技新技術(shù)之首。國內(nèi)研制具有代表性的是利用AFC技術(shù)積累全面開展PEMFC研究；在以聚苯乙烯磺酸膜為電解質(zhì)的PEMFC、Pt/C電催化劑制備、表征和解析方面也進(jìn)行了廣泛的工作。美國多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究開發(fā)出便攜式PEMFC發(fā)電堆。加拿大電力系統(tǒng)公司與日本的EBARA公司合作研究開發(fā)250kWPEMFC發(fā)電設(shè)備和1kWPEMFC便攜式發(fā)電系統(tǒng)。德國在柏林建造了一個(gè)250kWPEMFC的實(shí)驗(yàn)堆。質(zhì)子交換膜燃料電池的核心技術(shù)是電極-膜-電極三合一組件的制備技術(shù)。為了向氣體擴(kuò)散，電極內(nèi)加入質(zhì)子導(dǎo)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(zhì)子交換膜的技術(shù)參數(shù)直接影響著三合一組件的性能，因而關(guān)系到整個(gè)電池及電池組的運(yùn)行效率。PEMFC的價(jià)格也制約著其商業(yè)化進(jìn)程，因此，改進(jìn)其必要組件性能，降低運(yùn)行成本，是發(fā)展PEMFC的重要方向。

二、燃料電池的研究方向

上述5種燃料電池各有其特點(diǎn)，因?yàn)槊糠N電池的工作機(jī)制不同，因此各自存在著發(fā)展障礙、技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展方向，但是作為燃料電池的成員，它們又有著共性，為此，結(jié)合各類型電池的特點(diǎn)，總結(jié)了燃料電池的研究與開發(fā)所應(yīng)集中展開的5個(gè)方面。

1、電解質(zhì)膜

電解質(zhì)膜之所以重要，是因?yàn)樗辉试S質(zhì)子(H+)通過，而不應(yīng)該允許未分解的燃料滲透過去。因此，對電解質(zhì)膜的研究就包括提高電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，盡量減小氣體等其他燃料滲入量，增強(qiáng)氧化、還原和水解的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，改善表面性質(zhì)以適于與催化劑結(jié)合等。此外，還要降低成本，提高性價(jià)比。

2、電極

因燃料電池電極大多為氣體電極過程，必須用特殊的電極結(jié)構(gòu)-多孔的氣體擴(kuò)散電極，以提高電池的比功率。這種電極要求其中有薄液膜，要能保證大量氣體容易到達(dá)而又與整體溶液較好連通，有足夠的“氣孔”使反應(yīng)氣體容易傳遞到電極內(nèi)部各處，又有大量覆蓋在催化劑表面上的薄液膜。這些薄液膜還必須通過“液孔”與電極外側(cè)的溶液通暢地連通，以利于液相反應(yīng)粒子(包括產(chǎn)物)遷移。

因此，對多孔氣體擴(kuò)散電極的研究，即是如何使電極在反應(yīng)中形成穩(wěn)定的三相界面，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效放電。針對目前多孔電極的研究，作者提出用力學(xué)方法對三相界面的形態(tài)進(jìn)行研究。眾所周知，三相界面是電池反應(yīng)面。相對大的、穩(wěn)定的三相界面是放電效率高的保證。

為此，我們應(yīng)著力從力學(xué)角度研究多孔電極三相界面的形成形態(tài)。飽和度分布是電極反應(yīng)中一個(gè)重要的力學(xué)參數(shù)，通過對電極表面飽和度分布的研究可以確定三相界面的具體位置，以及沿電極不同位置反應(yīng)界面的變化情況，從而可以在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段向有利于形成三相界面的方向靠攏。制作出放電效率高的氣體擴(kuò)散電極。

我們應(yīng)用滲流力學(xué)原理提出一種新的氣體電極——呼吸式氣體擴(kuò)散電極，這種氣體電極是通過氣液驅(qū)替實(shí)現(xiàn)電極反應(yīng)的動態(tài)過程，有利于三相界面生成，并且促進(jìn)反應(yīng)物的補(bǔ)充和生成物的排除，使電極在高電流密度下工作，提高電池單位體積的輸出功率。此外，我們根據(jù)力學(xué)原理，從改善電極在反應(yīng)中的一些力學(xué)特性，諸如飽和度、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度等方面提出的折疊式氣體擴(kuò)散電極與片狀氣體擴(kuò)散電極，將其應(yīng)用于鋅-空氣半燃料電池，可以取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在燃料電池的研究中引入力學(xué)方法必將開辟一條燃料電池研究的有效解決問題的途徑。

3、燃料

對燃料的研究主要是燃料選擇的問題。目前，在燃料電池應(yīng)用中，主要使用H2和CH3OH。日本工學(xué)院工程部曾提出以BH4為燃料，以吸附氫的合金為電極，同時(shí)也作為氫的催化劑和還原劑。對替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發(fā)展更加具有可持續(xù)性。

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是燃料電池的最終結(jié)果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到限制。如何對燃料電池進(jìn)行高密度裝配，實(shí)現(xiàn)在便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用燃料電池，成為研究方向之一。

5、電催化劑

一個(gè)燃料電池系統(tǒng)，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態(tài)燃料和氧化劑在電極過程中的反應(yīng)活性，即研究和發(fā)展高效催化劑。目前，利用其他價(jià)格低廉的、有效的催化劑替換貴金屬催化劑成為催化劑研究的方向之一。

三、前景展望

對燃料電池的開發(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。燃料電池的先進(jìn)性和實(shí)用性已經(jīng)得到世界的公認(rèn)，我國也在加大對燃料電池的開發(fā)、研究與利用力度。盡管燃料電池還存在一些問題，比如電極材料、制造成本、催化劑等等問題，但是瑕不掩瑜，加快燃料電池發(fā)展必然是世界發(fā)展的總趨勢。在發(fā)展燃料電池過程中，應(yīng)該根據(jù)各種不同燃料電池各自的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展障礙，有針對性地展開適宜的研究，使各種燃料電池都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。隨著燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步深化，必將能夠加快我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)與可持續(xù)化發(fā)展步伐。