蒋清梅

(重庆化工职业学院，重庆 400020)

燃料电池的发展趋势及研究进展

蒋清梅

(重庆化工职业学院，重庆 400020)

燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学器件，是一种绿色能源，可同时解决节能和环保两大世界难题。本文根据燃料电池的特点，综述了燃料电池(PEMFC)的研究现状及燃料电池的发展趋势。

燃料电池；原理；研究现状；发展趋势

1 概述

燃料电池是一种将化学能转化为电能的发电装置，其转化过程是一种不经过燃烧的电化学反应。燃料电池工作时，氢气或者其他燃料输入到阳极，并在电极和电解质的界面上发生氢气或其他燃料氧化与氧气还原的电化学反应，产生电流，输出电能。与传统的火力发电相比，燃料电池的发电效率不受卡诺循环限制，CO、CO2、SO2、NOx及未燃烧尽的有害物质排放量低，是继水电和核电之后的一种清洁发电方式。

燃料电池是由正负两个电极(负极为燃料电极,正极为氧化剂电极)以及电解质组成。一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量，而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件。因此，燃料电池是名副其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。燃料电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，原则上只要反应物不断的输入，反应产物不断的排除，燃料电池就能连续地发电了[1-2]。

2 燃料电池研究现状

燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电能，它不受卡诺循环限制，直接高效(40%～60%)，环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物。由于这些突出的优点，有关燃料电池技术的研究和开发越来越受到各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪首选的直接、高效、洁净的发电技术[2]。

到目前为止，燃料电池已经出现了很多种技术和结构类型。根据电解质的不同，可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等五大类。

2.1 碱性燃料电池(AFC)

AFC采用35%-45% KOH或NAOH溶液作为电解质，工作温度一般为80 ℃，一些新型的设计可将其工作温度降低到23-70 ℃。碱性燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200 W氨-空气的碱性燃料电池系统，制成了1,10 ,20 kW的碱性燃料电池，九十年代后期在跟踪开发取得了非常有价值的成果[3]。

2.2 磷酸型燃料电池(PAFC)

PAFC是以磷酸为电解质的氢氧燃料电池，他用天然气重整富氢气体为燃料，空气做氧化剂，以浸有浓H3PO4的SiO2微孔膜做电解质，Pt-C为催化剂，工作温度150～220 ℃，发电效率达40%～50%。美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200 kW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的(11 MW)磷酸型燃料电池。国内魏子栋等人进行Pt 3(Fe Co)/C氧还原电催化剂的研究上，并提出了Fe/Co对Pt的锚定效应[4]。

2.3 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

MCFC工作温度为650～700 ℃，以浸有(K/Li)2CO3的LiALO2隔膜为电解质，电催化剂无需使用贵金属，以雷尼镍和氧化镍为主；可用净化煤气和天然气为燃料。MCFC主要是在美国、日本、和西欧研究和利用较多，2～5 MW外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世，在解决MCFC的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破。我国已将MCFC正式列入国家"九五"攻关计划，已研制出1～5 kW的熔融碳酸盐燃料电池[5]。

2.4 固体氧化物燃料电池(SOFC)

在SOFC的阳极一侧通入燃料气，燃料气体通过阳极的多空结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极通入的空气通过多孔结构，在阴极发生还原反应。目前已开发了管式、平板式[6]和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。国内大都处于SOFC的基础研究阶段。

2.5 质子交换膜燃料电池(PEMFC)

PEMFC的电极为多孔气体扩散电极，以纯铂或碳载铂作电催化剂，电解质为全氟磺酸型固体聚合物，氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂。是继AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，它是为航天和军用电源而开发的。国内研制具有代表性的是利用AFC技术积累全面开展PEMFC研究；在以聚苯乙烯磺酸膜为电解质的PEMFC、Pt/C电催化剂制备、表征和解析方面也进行了广泛的工作[7-8]。

3 我国燃料电池产业发展存在的主要问题

目前我国燃料电池的研究方向主要在燃料电池的应用方面，投入的人力、资金大多集中在如何应用于汽车上作为动力让汽车跑起来，如何用在通讯机站上，并能够快速切换电源；而燃料电池生产企业在提高燃料电池性能、寿命、降低成本方面的研发工作也大多集中在如何改善气道、提高催化剂的均匀性和生产工艺的研究上。目前我国质子交换膜燃料电池尚未实现市场化，无论是燃料电池发动机、备用电源还是电站，都只是由政府买单的研发-示范项目的少量应用，还谈不上商业化市场运行，能真正运行测试的也只有燃料汽车。要想进一步提高性能、提高寿命和降低成本，主要精力应该放在燃料电池的四大主材上，如果这四大主材在性能上没有新的突破、没有新功能材料的出现、没有材料的国产化，那么要想达到上述目标几乎是不可能的。

首先，从技术上，新概念的产生、发展与完善是燃料电池发展的关键。其次，材料科学是燃料电池发展的基础。一种新的、性能优良的材料的发现并在燃料电池中的应用，将会促进燃料电池的飞速发展。我国燃料电池的发展要向高性能、高寿命、低成本的方向发展，这就要求我们要加大燃料电池用材料研发力度，加快燃料电池原材料的国产化步伐。虽然我国也有企业在研制质子交换膜、碳纤维材料、催化剂和石墨材料，但由于国家在这方面的支持力度没有像支持燃料电池生产企业的力度那样大，所以企业本身研发新材料的积极性不高，致使我国燃料电池企业生产了10多年还没有能够用上国产四大主材中的三大主材。近年来石墨材料已有了很大突破，板厚从3mm降到了现在的1mm，价格从最早的1元/cm2降到了现在的0.125元/cm2，但仍不能满足商业化的要求。影响燃料电池产业化技术发展的因素，除了材料的问题，还有配套系统的设备问题。由于燃料电池供气系统中空气压缩机不能提供足够压力和足够流量的空气，致使有些厂家牺牲掉燃料电池的效率去配套汽车的要求。因此为了达到设计功率就势必要增加膜电极数量，所以说燃料电池技术的发展是一个多学科、多领域共同协作研发的系统工程。

4 燃料电池的发展趋势[10]

随着生物技术和电子技术的不断发展，相信上述几类已经商品化的燃料电池[9]在相关技术方面也会发生日新月异的变化，今后也将进行进一步的发展。

4.1 沿生物燃料电池发展

这种电池是用生物原料生产电能。即将生物原料通过反应器转换成燃料气体，经加工处理后作为燃料电池的原料，应用于分散电站，供家庭或城市用电；也可转换成H2，用于电动汽车。这种电池的最大优点就是使用时不但不会产生污染，而且可以处理一些生活垃圾，美化了环境，这也是很吸引科学家的地方。

4.2 沿细菌燃料电池发展

燃料电池中另一个亮点是细菌电池。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化氢气，再将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国设计出一种供遨游空用的细菌电池。

4.3 “巨型化”发展方向

巨型化，不是说增大燃料电池的体积和重量，而是指增加其工作能力，延长其寿命。80年代以来，随着世界各国对燃料电池技术的重视，燃料电池技术得到了不断的推进和发展。其性能变得更优越，“寿龄”也日益延长。燃料电池在21世纪将走向巨型化，将实现其商业化进程。

4.4 沿小型化方向发展

燃料电池今后的发展方向除了电动车辆，另一方向是燃料电池小型化，替代普通电池在膝上电脑，便携式电子器件等方面的应用。

[1] Chun shan Song. Fuel processing for low temperature and high - temperature fuel cells: Challenges and opportunities for sustainable development in the 21 st century[J].Catalys is Today, 2002, 77(1/2): 17-49.

[2] Jeong Kwi Seong, Oh Byeong Soo. Fuel economy and life-cycle cost an alysis of a fuel cell hybrid vehicle[J]. Journal of Powr Sources. 2002, 105(1): 58-65.

[3] 邵志刚, 衣宝廉, 俞红梅. 再生氢氧燃料电池[J].化学通报, 2000, 63(3): 22-26.

[4] 魏子栋, 郭鹤桐 ， 唐致远. 氧在 Pt-Fe-Co /C 合金催化剂上的还原[J].催化学报, 1995, 16(2): 141-144.

[5] 毛宗强. 我国燃料电池技术进展[J]. [2012-03-15].http://www.docin.com/p-362584271.html.

[6] Drenekhanu W Grei mner. Ivers-Tiffee E [J]. Power J ,1994, 116: 117. Drenekhahu W, Greimner H, Ivers-T iffee E

[7] 衣宝廉. 燃料电池的现状与未来[J]. Chinese Journal of Power source, 1998, 22(5): 216-221.

[8] 江 义, 李文钊, 王世忠. 化学进展[J]. 1997, 9(4): 398.

[9] LIN Zhong hua. Some Trends of Elect rochemistry in 21 st Century. Elect rochemistry[J]. 2002 8(1): 1.

[10] 胡跃华. 燃料电池的研究现状及发展趋势[J]. 赣南师范学院学报, 2002, 6:58-59.

TheLatestDevelopmentTrendandResearchProgressofFuelCell

JiangQingmei

(Chongqing Chemical Industry Vocational College ，Chongqing 40020,China)

Fuel cell with the conversion from chemical energy to electrical energy is an electrical-chemical device. As the conversion is high efficiency and environment friendly, it is considers as a green energy. Moreover, fuel cell can solve the problems of saving energy and protection environment. According to the features of fuel cell, the paper summarizes the research progress and developing of fuel cell, including alkalecent fuel cell (AFC), phosphate fuel cell (PAFC), melt carbonte fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC) and proton exchange membrane fuel cell.

fuel cell; mechanism; research progress; develop trends

2017-09-18

蒋清梅(1983—)，女，陕西宝鸡人，讲师。

TM911.4

A

1008-021X(2017)22-0056-02

(本文文献格式：蒋清梅.燃料电池的发展趋势及研究进展[J].山东化工，2017，46(22)：56-57.)

红日化工通过“三合一”管理体系审核

近日，由专业审核员赵红梅率领的方圆标志认证集团有限公司专家审核组莅临山东红日化工股份有限公司，对红日化工公司质量、环境、职业健康安全“三合一”管理体系进行换证审核。经过四天的认真审核后，专家组确认红日化工公司“三合一”管理体系总体运行状况良好。

本次审核是该公司“三合一”管理体系第三次换证审核，同时也是质量管理体系、环境管理体系新标准实施后的换版审核。专家组按照《审核计划》及标准要求，对公司覆盖复混肥料(复合肥料)开发和生产、副产盐酸生产的“三合一”管理体系进行了全面审核。本次审核的目的是了解公司管理体系的基本情况；收集公司管理体系范围、过程和场所的必要信息及管理体系的实施程度；确认公司文件所述的管理体系与审核准则的符合性、适宜性及体系运行的有效性。

(红日化工公司 刘海青)