燃料電池距我們有多遠
？

0 引言

　　國際能源界預測，本世紀氫能將得到廣泛的應用，而燃料電池將成為利用氫能的重要途徑。燃料電池是繼水力、火力、核能之後的第四代發電裝置，它是可以替代內燃機的動力裝置。燃料電池具有安全、高效

、無汙染、適用廣
、無噪聲等特點，已成為當今世界能源領域的開發熱點。

1 基本原理

　　普通電池是將電池內部的化學能轉變成電能
，而燃料電池是將電池外部的燃料（氫和氧）通過化學反應，將其釋放的能量轉變成電能輸出。燃料電池外部的燃料存儲係統是一個活動裝置

，可以方便地更換和補充燃料。

　　燃料電池的基本原理是水的電解的逆反應。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質組成。工作時向負極供給燃料（氫）

，向正極供給氧化劑（空氣），在電極上常使用催化劑（例如白金）來加速電化學反應。氫在負極分解成正離子H＋和電子e。氫qing離li子zi進jin入ru電dian解jie液ye中zhong，而er電dian子zi則ze沿yan外wai部bu電dian路lu移yi向xiang正zheng極ji。用yong電dian的de負fu載zai就jiu接jie在zai外wai部bu電dian路lu中zhong。在zai正zheng極ji上shang，空kong氣qi中zhong的de氧yang同tong電dian解jie液ye中zhong的de氫qing離li子zi吸xi收shou抵di達da正zheng極ji上shang的de電dian子zi形xing成cheng水shui。

2 燃料電池的種類及其特點

　　2.1 質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC）

　　該電池的電解質為離子交換膜
，薄膜的表麵塗有可以加速反應的催化劑（如白金）
，其兩側分別供應氫氣及氧氣。由於PEM燃料電池的唯一液體是水
，因此腐蝕問題很小，且操作溫度介於80℃～100℃之間，安全上的顧慮較低；其缺點是，作為催化劑的白金價格昂貴。PEMFC是輕型汽車和家庭應用的理想電力能源
，它可以替代充電電池。

　　2.2 堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cells—AFC）

　　堿(jian)性(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)設(she)計(ji)與(yu)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)設(she)計(ji)基(ji)本(ben)相(xiang)似(si)，但(dan)其(qi)電(dian)解(jie)質(zhi)為(wei)穩(wen)定(ding)的(de)氫(qing)氧(yang)化(hua)鉀(jia)基(ji)質(zhi)。操(cao)作(zuo)時(shi)所(suo)需(xu)溫(wen)度(du)並(bing)不(bu)高(gao)，轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)好(hao)
，可(ke)使(shi)用(yong)的(de)催(cui)化(hua)劑(ji)種(zhong)類(lei)多(duo)且(qie)價(jia)格(ge)便(bian)宜(yi)，例(li)如(ru)銀(yin)
、鎳(nie)等(deng)。但(dan)是(shi)
，在(zai)最(zui)近(jin)各(ge)國(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)開(kai)發(fa)中(zhong)

，卻(que)無(wu)法(fa)成(cheng)為(wei)主(zhu)要(yao)開(kai)發(fa)對(dui)象(xiang)，其(qi)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)電(dian)解(jie)質(zhi)必(bi)須(xu)是(shi)液(ye)態(tai)，燃(ran)料(liao)也(ye)必(bi)須(xu)是(shi)高(gao)純(chun)度(du)的(de)氫(qing)才(cai)可(ke)以(yi)。目(mu)前(qian)，這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)對(dui)於(yu)商(shang)業(ye)化(hua)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)過(guo)於(yu)昂(ang)貴(gui)，其(qi)主(zhu)要(yao)為(wei)空(kong)間(jian)研(yan)究(jiu)服(fu)務(wu)，包(bao)括(kuo)為(wei)航(hang)天(tian)飛(fei)機(ji)提(ti)供(gong)動(dong)力(li)和(he)飲(yin)用(yong)水(shui)。

　　2.3 磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC）

　　因其使用的電解質為100％濃度的磷酸而得名。操作溫度大約在150℃～220℃zhijian，yinwendugaosuoyifeirekehuishouzailiyong。qicuihuajiweibaijin
，yinci，tongyangmianlinbaijinjiageangguidewenti。daomuqianweizhi
，gairanliaodianchidadoushiyongzaidaxingfadianjizushang，erqieyishangyehuashengchan，danshi，chengbenpiangaoshiqiweinengxunsupujidezhuyaoyuanyin。

　　2.4 熔融碳酸鹽燃料電池（（Molten Carbonate Fuel Cells—MCFC）

　　其電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽。在電極方麵，無論是燃料電極還是空氣電極，都使用具有透氣性的多孔質鎳。操作溫度約為600℃～700℃，因(yin)溫(wen)度(du)相(xiang)當(dang)高(gao)，致(zhi)使(shi)在(zai)常(chang)溫(wen)下(xia)呈(cheng)現(xian)白(bai)色(se)固(gu)體(ti)狀(zhuang)的(de)碳(tan)酸(suan)鹽(yan)熔(rong)解(jie)為(wei)透(tou)明(ming)液(ye)體(ti)。此(ci)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)
，不(bu)需(xu)要(yao)貴(gui)金(jin)屬(shu)當(dang)催(cui)化(hua)劑(ji)。因(yin)為(wei)操(cao)作(zuo)溫(wen)度(du)高(gao)，廢(fei)熱(re)可(ke)回(hui)收(shou)再(zai)利(li)用(yong)，其(qi)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)高(gao)達(da)75％～80％，適用於中央集中型發電廠，目前在日本和意大利已有應用。

　　2.5 固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells—SOFC）

　　其電解質為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔
，穩定度較高，不需要催化劑。一般而言，此種燃料電池操作溫度約為1000℃，廢fei熱re可ke回hui收shou再zai利li用yong。固gu態tai氧yang化hua物wu燃ran料liao電dian池chi對dui目mu前qian所suo有you燃ran料liao電dian池chi都dou有you的de硫liu汙wu染ran具ju有you最zui大da的de耐nai受shou性xing。由you於yu使shi用yong固gu態tai的de電dian解jie質zhi
，這zhe種zhong電dian池chi比bi熔rong融rong碳tan酸suan鹽yan燃ran料liao電dian池chi更geng穩wen定ding。其qi效xiao率lv約yue為wei60％左右，可供工業界用來發電和取暖，同時也具有為車輛提供備用動力的潛力。缺點是構建該型電池的耐高溫材料價格昂貴。

　　2.6 直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cells—DMFC）

　　直(zhi)接(jie)甲(jia)醇(chun)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)是(shi)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)一(yi)種(zhong)變(bian)種(zhong)，它(ta)直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)甲(jia)醇(chun)在(zai)陽(yang)極(ji)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)和(he)氫(qing)
，然(ran)後(hou)如(ru)同(tong)標(biao)準(zhun)的(de)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)一(yi)樣(yang)，氫(qing)再(zai)與(yu)氧(yang)反(fan)應(ying)。這(zhe)種(zhong)電(dian)池(chi)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)為(wei)120℃，比標準的質子交換膜燃料電池略高，其效率大約在40％左zuo右you。其qi使shi用yong的de技ji術shu仍reng處chu於yu研yan發fa階jie段duan
，但dan已yi成cheng功gong地di顯xian示shi出chu可ke以yi用yong作zuo移yi動dong電dian話hua和he筆bi記ji本ben電dian腦nao的de電dian源yuan。其qi缺que點dian是shi當dang甲jia醇chun低di溫wen轉zhuan換huan為wei氫qing和he二er氧yang化hua碳tan時shi要yao比bi常chang規gui的de質zhi子zi交jiao換huan膜mo燃ran料liao電dian池chi需xu要yao更geng多duo的de白bai金jin催cui化hua劑ji。

　　2.7 再生型燃料電池（Regenerative Fuel Cells—RFC）

　　再zai生sheng型xing燃ran料liao電dian池chi的de概gai念nian相xiang對dui較jiao新xin，但dan全quan球qiu已yi有you許xu多duo研yan究jiu小xiao組zu正zheng在zai從cong事shi這zhe方fang麵mian的de工gong作zuo。這zhe種zhong電dian池chi構gou建jian了le一yi個ge封feng閉bi的de係xi統tong
，不bu需xu要yao外wai部bu生sheng成cheng氫qing，而er是shi將jiang燃ran料liao電dian池chi中zhong生sheng成cheng的de水shui送song回hui到dao以yi太tai陽yang能neng為wei動dong力li的de電dian解jie池chi中zhong分fen解jie成cheng氫qing和he氧yang，然ran後hou將jiang其qi送song回hui到dao燃ran料liao電dian池chi。目mu前qian
，這zhe種zhong電dian池chi的de商shang業ye化hua開kai發fa仍reng有you許xu多duo問wen題ti尚shang待dai解jie決jue，例li如ru成cheng本ben，太tai陽yang能neng利li用yong的de穩wen定ding性xing等deng。美mei國guo航hang空kong航hang天tian局ju（NASA）正在致力於這種電池的研究。

　　2.8 鋅空燃料電池（Zinc－air Fuel Cells—ZAFC）

　　利(li)用(yong)鋅(xin)和(he)空(kong)氣(qi)在(zai)電(dian)解(jie)質(zhi)中(zhong)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)產(chan)生(sheng)電(dian)。鋅(xin)空(kong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)最(zui)大(da)好(hao)處(chu)是(shi)能(neng)量(liang)高(gao)。與(yu)其(qi)他(ta)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)，同(tong)樣(yang)的(de)重(zhong)量(liang)，鋅(xin)空(kong)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)運(yun)行(xing)更(geng)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)。另(ling)外(wai)，地(di)球(qiu)上(shang)豐(feng)富(fu)的(de)鋅(xin)資(zi)源(yuan)使(shi)鋅(xin)空(kong)電(dian)池(chi)的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)很(hen)便(bian)宜(yi)。它(ta)可(ke)用(yong)於(yu)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)、消費電子和軍事領域
，前景廣闊。目前Metallic Power和Power Zinc公司正在致力於鋅空燃料電池的研究和商業化。

　　2.9 質子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cells—PCFC）

　　這種新型燃料電池的機理是：在高溫下陶瓷電解材料具有很高的質子導電率。Protonetics International Inc.正在致力於這種電池的研究。

3 燃料電池的研發和應用現狀

　　燃料電池技術在全球的開發極為活躍。全世界約有20多個國家的上千家公司和機構投入巨額資金從事燃料電池的研究和商業化工作。目前，已有2500多個燃料電池係統安裝在世界各地，為醫院、托兒所
、賓館
、辦公樓、學校、機場和電廠等提供基本的和備用的電力供應。

　　美國是研究燃料電池最早的國家，處於該領域的領先地位。早在上世紀60年代初，NASA為解決航天飛機中普通電池過重的問題而開始研究新的動力裝置。之後的幾十年中，能源部（DOE）、電力研究所（EPRI）和氣體研究協會（GRI）等部門都投入了大量的人力和財力進行研發。目前，堿性電池長期被NASA采用；磷酸型電池技術也相當成熟，已有廣泛的商業化應用。2MW的熔融碳酸鹽電池已投入運行，西屋（Westinghouse）公司100kW固體氧化物電池也已在荷蘭安裝。

　　日本在30多年前就開始燃料電池的研究，近年來成果尤為顯著。開發重點集中在磷酸型

、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型3大類。容量達11MW的磷酸鹽發電裝置也已在東京電力公司投運，效率達43.6％
，熔融碳酸鹽型已經運轉的有2MW級裝置。另外還建立了許多賓館
、醫院用的100kW級的磷酸型現場發電電池係統。

　　歐洲各國燃料電池開發較美國、ribenweiwan。zaonianzhuyaoxingquzaijianxingdianchi
，suizheranliaodianchijishudefazhan，qiyouyuetexingzhujianweirenmensuorenshi，ouzhougeguoyejiakuaileranliaodianchijishudeyinjinkaifa。helan

、意大利、德國

、西班牙等國分別完成10kW、100kW
、280kW級碳酸鹽型電池的開發，德國和瑞士分別進行了7kW和10kW級固體氧化物電池的開發；意大利於1991年投運了美國造的1MW級磷酸型電池裝置。

　　由(you)於(yu)石(shi)油(you)短(duan)缺(que)和(he)汽(qi)車(che)尾(wei)氣(qi)汙(wu)染(ran)等(deng)環(huan)境(jing)問(wen)題(ti)日(ri)益(yi)嚴(yan)重(zhong)，目(mu)前(qian)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)研(yan)發(fa)生(sheng)產(chan)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)方(fang)向(xiang)是(shi)能(neng)夠(gou)給(gei)汽(qi)車(che)提(ti)供(gong)動(dong)力(li)。幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)大(da)的(de)汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)都(dou)在(zai)研(yan)發(fa)使(shi)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)，並(bing)已(yi)有(you)示(shi)範(fan)車(che)型(xing)。目(mu)前(qian)，豐(feng)田(tian)和(he)本(ben)田(tian)公(gong)司(si)已(yi)經(jing)在(zai)日(ri)本(ben)和(he)美(mei)國(guo)開(kai)展(zhan)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)租(zu)車(che)業(ye)務(wu)。現(xian)在(zai)已(yi)有(you)一(yi)些(xie)使(shi)用(yong)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)
，但(dan)使(shi)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)市(shi)場(chang)仍(reng)處(chu)於(yu)培(pei)育(yu)階(jie)段(duan)。專(zhuan)家(jia)們(men)預(yu)測(ce)到(dao)2010年前後才能實現商業化。應用於便攜式設備（手機、筆記本電腦
、掌上電腦等）的微型燃料電池的研發競爭也在激烈地進行。

　　我國燃料電池的研製開發起步並不晚，然而發展緩慢。上世紀70年代，為配合航天事業的發展我們在堿性燃料電池領域取得了一些進步，但到上世紀80年代由於資金原因研發放慢了
，直至上世紀90年代末才又開始新一輪的研發及商業化嚐試。

　　在國內燃料電池研發工作中具有代表性的大連化學物理研究所，已經從事燃料電池的研究近50年

，早年曾成功研製了500W的堿性型燃料電池，近年來致力於質子膜、熔融碳酸鹽和固體氧化物型電池的研究。該所在2001年至2003年間，將30kW的質子膜電池組用在小型汽車和大型公共汽車上示範成功，並成立了新源動力公司

，開始了產品的商業化進程。2003年春，該所與清華大學合作將75kW的質子膜電堆應用在公共汽車上。在直接甲醇燃料電池方麵，大連化物所
、韓國三星公司
、南孚電池公司建立了合作實驗室。目前，中國科技大學無機膜研究所已成功研製了新型中溫固體氧化物燃料電池。6種燃料電池的應用及技術狀態見表1，國內部分從事燃料電池研發的機構見表2。

表1 6種燃料電池的應用及技術狀態

4 結語

　　由於燃料電池的成本居高不下
，目前仍處於研發和示範應用階段，但它在能源貯備、供應方麵的安全、可靠
、高效率、無汙染等特性和廣闊的應用前景
，使得全世界都在這個領域進行著研發競賽。

　　燃料電池領域的研發是一個很大的係統工程，涉及材料、元件、研發、製造
、集成應用、分銷和終端用戶等各個方麵，因此“官、產、研”結合是該領域發展的一個顯著特征
，也是必由之路。我們也充分意識到燃料電池
，這個 屬於能源基礎行業的高新技術，其產業化的難度。這個過程將經曆3個階段：注重技術水平的成果階段

；注重實用化的產品階段；注重銷售價格生產成本的商品階段 。

表2 國內從事燃料電池研發的公司和機構