淺析燃料電池*

楊莉婷，馮立綱?，張久俊

① 揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002；② 上海大學(xué)理學(xué)院/可持續(xù)能源研究院，上海 200444

淺析燃料電池*

楊莉婷①，馮立綱①?，張久?、??

① 揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002；② 上海大學(xué)理學(xué)院/可持續(xù)能源研究院，上海 200444

燃料電池作為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，憑借其發(fā)電效率高、污染小、噪音低等諸多優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域中脫穎而出，被《美國(guó)時(shí)代周刊》譽(yù)為“21世紀(jì)的高科技之首”。本文闡述了燃料電池的相關(guān)概念及特點(diǎn)，講述了燃料電池的發(fā)展歷程，并從民用和軍用兩大方面介紹了燃料電池的最新進(jìn)展，最后探討了燃料電池發(fā)展面臨的問題并對(duì)它的未來進(jìn)行了展望。

燃料電池；歷史回顧；研究現(xiàn)狀

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也日益劇增，但人類只靠化石能源不是長(zhǎng)久之計(jì)。一方面，化石燃料的儲(chǔ)量有限，其開采成本在不斷上升；另一方面，化石燃料的大量使用，不僅造成了環(huán)境污染，還嚴(yán)重危害了人們的身體健康。因此，當(dāng)務(wù)之急是尋求一種清潔、高效、可再生的能源生產(chǎn)方式以實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與篩選，氫能進(jìn)入人們的視野，被譽(yù)為“人類社會(huì)發(fā)展的終極能源”，而燃料電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能循環(huán)利用的一個(gè)重要技術(shù)手段[1-3]。顧名思義，燃料電池是一種利用燃料里的能量像電池那樣提供電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，即在電催化劑的作用下，將可再生燃料(比如氫、有機(jī)小分子等)里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。和蓄電池不同，燃料電池內(nèi)部并不貯存反應(yīng)所需要的化學(xué)燃料，它只是提供了一個(gè)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。電池工作時(shí)，燃料由外部供給，在電極上進(jìn)行反應(yīng)。只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。我們可以形象地把它比作“發(fā)電廠”，燃料和空氣被送入燃料電池中，經(jīng)過“加工”，就會(huì)奇妙地生產(chǎn)出電來。

燃料電池的種類很多。根據(jù)所用電解質(zhì)的不同可以分為堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等；根據(jù)所用燃料的種類可以分為氫燃料電池、烴類燃料電池和有機(jī)小分子燃料電池；根據(jù)使用溫度可以分為低溫(75～100 ℃)型燃料電池、中溫(100～500 ℃)型燃料電池和高溫(500～1 000 ℃)型燃料電池[4]。

各類燃料電池有各自的特點(diǎn)及應(yīng)用條件，雖然工作原理簡(jiǎn)單，但作為一個(gè)發(fā)電機(jī)有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括電堆和電路控制系統(tǒng)及附屬設(shè)備，涉及到工程、化學(xué)、材料和電控等學(xué)科[5-6]。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，介紹一下燃料電池的相關(guān)概念及特點(diǎn)，來增加讀者對(duì)燃料電池相關(guān)知識(shí)、研究歷史及現(xiàn)狀的了解，并就燃料電池在國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域的潛在應(yīng)用做些簡(jiǎn)單介紹，對(duì)燃料電池目前發(fā)展存在的難題及未來進(jìn)行了探討。

1 燃料電池的相關(guān)概念及特點(diǎn)

質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電需要通過兩個(gè)電極來實(shí)現(xiàn)，在陽(yáng)極側(cè)需要持續(xù)地供給燃料，在陰極側(cè)需要持續(xù)地供給氧氣(圖1)。這與人體的供能模式有些類似，為了維持正常的生命活動(dòng)需要不斷地?cái)z入食物(陽(yáng)極)及呼吸氧氣(陰極)以獲得能量，這本身就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電能的產(chǎn)生主要是通過質(zhì)子與氧的“約會(huì)”。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，像人體所需要的生物催化酶一樣，燃料電池將燃料里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，需在催化劑的幫助下進(jìn)行。催化劑在這里主要用來提高電催化反應(yīng)的速度，從而保障順暢產(chǎn)生電能，因此催化劑的優(yōu)劣直接關(guān)系到電池放電能力的高低，催化劑材料的研究工作目前已經(jīng)取得了一些可喜的進(jìn)展[7-8]。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池示意圖

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的陰極和陽(yáng)極采用的是多孔氣體擴(kuò)散電極，主要包括擴(kuò)散層和催化層。擴(kuò)散層一般采用碳紙等多孔質(zhì)的導(dǎo)電材料，用于氣體的擴(kuò)散和電流的傳遞。催化層則是負(fù)載催化劑的地方，一般需要使用導(dǎo)電聚合物作質(zhì)子導(dǎo)體。聚四氟乙烯(PT-FE)作黏結(jié)和液體水脫出劑，使電極形成很好的氣、固、液三相，這種電極也被稱為氣體擴(kuò)散電極。PEMFC目前采用的電解質(zhì)主要是磺酸型質(zhì)子交換膜，它的作用主要是傳遞質(zhì)子以及防止燃料和氧化劑直接接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9]。質(zhì)子交換膜燃料電池如以氫氣作為燃料，氧氣為氧化劑，則電池工作原理如下：氫氣通過陽(yáng)極流場(chǎng)進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極，在催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)子，同時(shí)釋放兩個(gè)自由電子；質(zhì)子被陰極所“吸引”，通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極側(cè)，而自由電子則通過外電路形成電流后回到陰極；同時(shí)，氧氣通過流場(chǎng)進(jìn)入燃料電池的陰極，在催化劑作用下與“吸引”過來的質(zhì)子和自由電子反應(yīng)生成水[10]。

質(zhì)子交換膜燃料電池，反應(yīng)過程中的唯一產(chǎn)物是水，實(shí)現(xiàn)了零污染。另外，采用有機(jī)小分子(如甲醇或甲酸)作為燃料的電池，則反應(yīng)產(chǎn)物是水和二氧化碳，再結(jié)合二氧化碳的還原技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)。與其他發(fā)電方式相比，燃料電池大大減少了對(duì)環(huán)境的污染，可以很好地滿足對(duì)清潔能源的要求。同時(shí)，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，它是直接通過燃料和氧化劑的化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的，沒有燃燒這一過程，因此不受熱力學(xué)定律的影響，也不受卡諾循環(huán)的限制。據(jù)報(bào)道，汽輪機(jī)或柴油機(jī)的效率最大值為40%～50%，而理論上燃料電池能量轉(zhuǎn)化率在90%以上，在實(shí)際應(yīng)用中，其綜合利用效率亦可達(dá)70%[11]。雖然單個(gè)燃料電池產(chǎn)生的電量很小，但是通過多個(gè)單元燃料電池組裝而成的燃料電池堆就擁有很大的供電量，其可供應(yīng)的電力范圍為1 W～1 000 MW，并且它的大小、形貌都是可控的，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域[12]。除此之外，它還具有高倍率性能優(yōu)異、充電時(shí)間很短、噪聲低和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，使燃料電池在市場(chǎng)上具備了很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[13]。

集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身的燃料電池受到了國(guó)內(nèi)外各界人士的青睞。美國(guó)《時(shí)代周刊》曾將燃料電池列為21世紀(jì)的高科技之首；美國(guó)礦物能源部長(zhǎng)助理克?西格爾也曾說過：“燃料電池技術(shù)在21世紀(jì)上半葉對(duì)技術(shù)上的沖擊影響，會(huì)產(chǎn)生類似于20世紀(jì)上半葉內(nèi)燃機(jī)所起的作用?！盵14]這種高度的評(píng)價(jià)有力地說明燃料電池廣闊的發(fā)展前景，燃料電池憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將在能源領(lǐng)域掀起一股熱潮。

2 燃料電池的歷史回顧

為了更好地了解燃料電池相關(guān)技術(shù)，我們回顧一下燃料電池的發(fā)展歷程(圖2)。燃料電池的研究歷史最早可追溯至19世紀(jì)初期，德國(guó)化學(xué)家Christian Friedrich Schoenbein是發(fā)明燃料電池的功臣，他在1838年發(fā)現(xiàn)了燃料電池效應(yīng)，即在鉑電極上氫和氧的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電流，這一發(fā)現(xiàn)打開了研究燃料電池的大門[15]。隨后，在一個(gè)人們熟悉的水解過程的逆反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，英國(guó)的物理學(xué)家兼法官William Robert Grove(圖3)在1839年發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了這個(gè)過程的發(fā)電現(xiàn)象。

圖2 燃料電池的發(fā)展歷程

圖3 “燃料電池之父”William Robert Grove

Grove把封有鉑電極的玻璃管浸入稀硫酸中，先通過電解產(chǎn)生氫氣和氧氣；然后將另外兩條鉑片分別放入密封的玻璃管，分別通入電解產(chǎn)生的氧氣和氫氣，當(dāng)這兩個(gè)玻璃管浸入稀硫酸時(shí)，兩個(gè)電極間有電流產(chǎn)生，同時(shí)在裝有氧氣的瓶?jī)?nèi)有水生成。將多組這樣的裝置串聯(lián)起來，就構(gòu)成了他稱之為“氣體電池”的裝置。這個(gè)裝置引起了世界各國(guó)政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的高度重視，后來被公認(rèn)為是世界上的第一個(gè)燃料電池，Grove因此被稱為“燃料電池之父”[16]。

盡管Grove的發(fā)現(xiàn)引起了很大的轟動(dòng)，但當(dāng)時(shí)并沒有準(zhǔn)確的詞匯來命名這種電池，直到1889年“燃料電池”這一名詞才正式被英國(guó)化學(xué)家Ludwig Mond和他的助手Carl Langer提出。他們把石棉網(wǎng)狀多孔性支持物浸入稀硫酸，以鉑黑為催化劑，鉑或金做載流體，開發(fā)出了電流密度為3～3.6 mA/cm2、電壓為0.73 V的燃料電池[17]?，F(xiàn)在許多燃料電池都是以此為原型，可見其發(fā)明的重大意義。隨后，物理化學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)始人之一Friedrich Wilhelm Ostwald在1893年建立了燃料電池原理的基本理論，并通過實(shí)驗(yàn)有效地解釋了燃料電池各個(gè)組成部分之間的相互關(guān)系和作用，這為后來燃料電池的研究提供了很好的理論基礎(chǔ)[16]。1900年，Walther Nernst用“能斯特物質(zhì)”氧化釔穩(wěn)定氧化鋯作為電解質(zhì)制作了一個(gè)燃料電池，標(biāo)志著固體氧化物燃料電池的誕生。隨后Reid在1902年和Lno在1904年用KOH溶液作為燃料電池的電解質(zhì)，提出了堿性燃料電池(AFC)的概念[18]。1921年，德國(guó)E. Baur小組開發(fā)出熔融碳酸鹽燃料電池，燃料電池的種類也日益增多。

直到1959年，英國(guó)劍橋大學(xué)的F. T. Bacon發(fā)明了雙孔燒結(jié)Ni氣體擴(kuò)散電極，并向世界展示了第一個(gè)真正能工作的燃料電池，即一個(gè)5 kW的燃料電池堆，才使燃料電池真正地走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于人們的生產(chǎn)活動(dòng)。這個(gè)電池也稱為“培根電池”，是第一個(gè)堿性燃料電池。后來普惠(Pratt & Whitney)公司被其所吸引，通過對(duì)該系統(tǒng)的改進(jìn)而開發(fā)出的堿性燃料電池(AFC)，成功取代了美國(guó)通用電器公司研制的已成功用于“雙子星座飛行”的質(zhì)子交換膜燃料電池，成為了阿波羅登月飛船的主力系統(tǒng)[19]。阿波羅的一小步，不僅邁出了人類文明的一大步，也打響了燃料電池的第一槍。燃料電池在航天技術(shù)上的巨大突破大大增加了人們對(duì)燃料電池技術(shù)的信心，因此到20世紀(jì)60年代后期，燃料電池的研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段，各種不同類型的燃料電池如雨后春筍般紛紛問世。燃料電池也不再局限于航空上的應(yīng)用，而是逐漸滲透到人們生活的方方面面中去。

3 燃料電池的發(fā)展近況

從20世紀(jì)60年代首次應(yīng)用于航空事業(yè)到現(xiàn)在，經(jīng)過了60多年的發(fā)展，燃料電池技術(shù)已經(jīng)漸入佳境。其中貢獻(xiàn)最大的應(yīng)屬加拿大的Ballard Power Systems (BLDP)公司，自20世紀(jì)80年代開啟了質(zhì)子交換膜燃料電池的新時(shí)代以來，燃料電池堆研發(fā)一直處于世界領(lǐng)先地位。從海中的大型潛艇，到天空中的無人機(jī)，再到日常生活中的便攜式電池，燃料電池的應(yīng)用隨處可見。如今，已被發(fā)達(dá)國(guó)家作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，發(fā)展中國(guó)家也有涉足。企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)，在民用、國(guó)防等領(lǐng)域，燃料電池發(fā)展迅速(圖4)。

圖4 燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，燃料電池的發(fā)展逐漸走向民用化研究。燃料電池大小的可控性決定了它應(yīng)用的廣泛性。小型燃料電池?cái)y帶方便，能量密度高，可用作小功率電子設(shè)備替換電源；大型燃料電池通過串并聯(lián)構(gòu)成的電源系統(tǒng)可供電力范圍大，可用作汽車驅(qū)動(dòng)電源或者電站。最近幾年，燃料電池已在家庭電源、移動(dòng)電源、備用電站、電動(dòng)車等民用領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)展。以家居用品巨頭宜家為例，到目前為止，其零售商已經(jīng)安裝了五座沼氣動(dòng)力燃料電池，補(bǔ)充了其原本的太陽(yáng)能系統(tǒng)，為門店提供了大量電力；在家庭電源領(lǐng)域，日本住宅燃料電池制造商松下等公司也開始進(jìn)軍歐洲，擴(kuò)大銷售范圍[20]。對(duì)于手機(jī)電源而言，燃料電池也有望取代充電電池，如最近蘋果公司一項(xiàng)命名為“便攜計(jì)算設(shè)備使用的燃料電池系統(tǒng)”(Fuel Cell System to Power a Portable Computing Device)專利的公布更是加強(qiáng)了人們對(duì)燃料電池民用化的信心[21]。

燃料電池汽車是當(dāng)前民用領(lǐng)域最可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用方向。從1994年第一輛燃料電池汽車奔馳NECARI的問世到現(xiàn)在的市場(chǎng)導(dǎo)入階段，燃料電池汽車的發(fā)展一波三折。隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟，在日本、美國(guó)、德國(guó)和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家政府及國(guó)際汽車業(yè)巨頭如德國(guó)奔馳公司、美國(guó)通用汽車公司和日本豐田、本田等企業(yè)的支持下，燃料電池車的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。近日，豐田Mirai、本田Clarity燃料汽車在日本的接連上市，再一次引起了全球?qū)﹂_發(fā)燃料電池車的關(guān)注。韓國(guó)現(xiàn)代、德國(guó)大眾、美國(guó)通用、AFC能源公司等汽車業(yè)巨頭也同樣推出了燃料電池的多種展示車型。此外，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)巨頭亞馬遜也對(duì)燃料電池給予了重視。近日，它與燃料電池巨頭普拉格能源(PLUG)達(dá)成了戰(zhàn)略協(xié)議，計(jì)劃在其全球倉(cāng)儲(chǔ)物流網(wǎng)絡(luò)體系中運(yùn)用PLUG 所提供的燃料電池及氫能相關(guān)技術(shù)，為叉車等工業(yè)裝備提供動(dòng)力。各大企業(yè)間的相互合作將進(jìn)一步推動(dòng)燃料電池的迅速發(fā)展[20]。

中國(guó)在這一領(lǐng)域的起步比較晚，導(dǎo)致其技術(shù)與汽車強(qiáng)國(guó)相比差距較大。但是在中國(guó)“十三五規(guī)劃”的電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)、新能源汽車補(bǔ)貼等政策的支持下，科研團(tuán)隊(duì)與企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，使中國(guó)的燃料電池汽車技術(shù)的研發(fā)也取得了重要進(jìn)展[22]。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所等已分別研制出如游覽觀光車、中巴車樣車等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已有上汽、奇瑞新能源、福田、蘇州金龍等14家企業(yè)涉足于燃料電池車領(lǐng)域并取得了一定的成果[20]。

隨著各國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)作戰(zhàn)裝備的要求也越來越高。先進(jìn)的作戰(zhàn)裝備對(duì)國(guó)防起著舉足輕重的作用。眾所周知，戰(zhàn)區(qū)的地理環(huán)境比較惡劣，電力獲取難度大，而戰(zhàn)爭(zhēng)過程中使用的現(xiàn)代化作戰(zhàn)工具都需要電的支持，這就對(duì)供電系統(tǒng)的性能提出了很高的要求。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中，除了具有常規(guī)電池的優(yōu)點(diǎn)外，它還具有其他電池不具備的低紅外輻射、強(qiáng)隱蔽性等特征，且使用過程中噪音低、散發(fā)熱量低，這些都使其具備了作為軍用電源裝備的無可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為軍事領(lǐng)域的“紅人”[23]。

燃料電池在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于潛艇、無人機(jī)、通訊設(shè)備、士兵攜帶電源、移動(dòng)電站等領(lǐng)域。以潛艇為例，其最大的不足之處就是在水下潛伏一段時(shí)間后就需要上浮充電，在作戰(zhàn)過程中很容易被發(fā)現(xiàn)，而以PEMFC作為電源不依賴于空氣的推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)(AIP)，憑借較強(qiáng)的續(xù)航能力延長(zhǎng)了潛艇在水下的時(shí)間，而且它運(yùn)行時(shí)不發(fā)出任何噪音，降低了被識(shí)別的可能性，大大提高了它的作戰(zhàn)能力。德國(guó)的在這一方面的技術(shù)比較先進(jìn)，早在2005年就試航了第一艘現(xiàn)代化的 AIP 質(zhì)子交換膜燃料電池潛艇[23]，向世界展示了燃料電池潛艇的優(yōu)越性。隨后，各類改進(jìn)型FC-AIP 潛艇也都紛至沓來。2016年4月26日，澳大利亞宣布法國(guó)DCNC公司的使用燃料電池AIP加鋰電池推進(jìn)系統(tǒng)的短鰭梭魚級(jí)潛艇，擊敗了此前一度被看好的日本三菱重工的蒼龍級(jí)潛艇，獲得澳大利亞海SEA1000潛艇項(xiàng)目訂單[24]。以燃料電池為主要電源的軍事設(shè)備不僅可以提供較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，而且其低輻射、低噪音的特點(diǎn)可以很好躲避偵查；而它作為備用電源時(shí)，其不間斷發(fā)電的特點(diǎn)可以滿足野外供電和應(yīng)急供電的需求。近幾年，美、歐、日、韓、中等國(guó)家和地區(qū)都對(duì)燃料電池在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，大到潛艇，小到微型電池，都已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。

4 燃料電池面臨的問題及其未來展望

燃料電池作為一種新興的發(fā)電裝置，具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，廣受人們的喜愛，并在交通、電子、軍用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于其技術(shù)的局限性，使得燃料電池在發(fā)展過程中還存在著許多問題。在這里對(duì)燃料電池在發(fā)展中所遇到的瓶頸進(jìn)行了分析并對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

(1)燃料電池性能提高的“源頭活水 ”——關(guān)鍵材料的研發(fā)。燃料電池的成本及其壽命問題是制約燃料電池商業(yè)化的重要原因。提高燃料電池的性能和壽命一直是科學(xué)研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，其中關(guān)鍵材料的研發(fā)是解決這個(gè)問題的源頭活水。燃料電池的關(guān)鍵材料主要包括催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板和絕緣端板等。當(dāng)前，高性能燃料電池關(guān)鍵材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)成為限制燃料電池技術(shù)進(jìn)步的主要問題之一。

催化劑是保證燃料電池電化學(xué)反應(yīng)活性的關(guān)鍵，已成為燃料電池領(lǐng)域最為熱門的研發(fā)方向之一。催化劑研究?jī)?nèi)容涵蓋多元合金催化劑、核殼催化劑、非貴金屬催化劑以及陰極催化反應(yīng)機(jī)理研究。目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)在于研發(fā)代替或部分代替貴金屬鉑的新型催化劑，并通過優(yōu)化制備方法，進(jìn)行多種材料的復(fù)合以及利用形貌控制等方式提高催化劑活性與穩(wěn)定性[7]。

質(zhì)子交換膜作為燃料電池系統(tǒng)的另一類重要核心材料，同樣是影響電池性能和壽命的關(guān)鍵因素。在質(zhì)子交換膜的研究上，研究者們已經(jīng)成功進(jìn)行不同材料如多孔材料、碳納米管和TiO2納米管等與全氟磺酸樹脂的復(fù)合，降低成本的同時(shí)也有效地提高了膜的性能[25]。近日美國(guó)特拉華大學(xué)報(bào)道了一種自愈合隔膜材料可以自行修復(fù)電池隔膜上出現(xiàn)的裂紋和小孔，這一發(fā)現(xiàn)可大大地延長(zhǎng)交換膜的壽命[20]。

膜電極制備也是提高燃料電池性能的關(guān)鍵。膜電極作為電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，是燃料電池系統(tǒng)的核心功能部件，其未來的研發(fā)方向主要包括增強(qiáng)膜電極三相反應(yīng)界面及其穩(wěn)定性、均一性、持久性。

燃料電池堆的設(shè)計(jì)上承系統(tǒng)運(yùn)行要求，下接關(guān)鍵材料性能，同時(shí)還要考慮流體力學(xué)行為與電化學(xué)反應(yīng)過程，是基礎(chǔ)研究與工程設(shè)計(jì)結(jié)合的產(chǎn)物。電池堆設(shè)計(jì)根據(jù)所處研發(fā)階段而面臨相應(yīng)的技術(shù)瓶頸，包括電池堆運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性及壽命等。

(2) 燃料電池的高價(jià)格是限制其真正商業(yè)化的巨大障礙。開發(fā)既便宜又高性能的燃料電池堆是可持續(xù)商業(yè)化的保證。燃料電池的商業(yè)化離不開政府的支持與鼓勵(lì)，燃料電池從研發(fā)到制備再到推廣都需要龐大的資金。以豐田最近推出的Mirai氫燃料電池車為例，在日本的售價(jià)為723.6萬(wàn)日元，享受國(guó)家補(bǔ)貼后，消費(fèi)者實(shí)際承擔(dān)的費(fèi)用在520萬(wàn)日元左右。這樣的價(jià)格與同等價(jià)位的燃油車相比仍然不具備明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。離開了政府補(bǔ)貼，那么價(jià)格昂貴的燃料電池車對(duì)于普通人而言只能是可望而不可即。如今，世界各國(guó)都對(duì)燃料電池給予了高度的厚望，也紛紛出臺(tái)了對(duì)燃料電池的扶持政策。燃料電池的發(fā)展?jié)摿艽?，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，燃料電池想要更好更快地走向市場(chǎng)，走向民用化，仍然需要政府的大力扶持。目前，中國(guó)的財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委等部門，在2016年底發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，新政策規(guī)定除燃料電池汽車外，各類車型2019－2020年中央及地方補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和上限，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上退坡20%，對(duì)于燃料電池汽車補(bǔ)貼將維持2016年標(biāo)準(zhǔn)不變[26]。政府對(duì)燃料電池汽車的這一“偏愛”將成為燃料電池得以快速商業(yè)化的“催化劑”。當(dāng)然，開發(fā)既便宜又高性能的燃料電池堆才是其可持續(xù)商業(yè)化的保證。

燃料電池的發(fā)展與其配套的基礎(chǔ)設(shè)施密不可分。如今，為電動(dòng)車或者混合動(dòng)力車提供能量的充電樁、加油站已比比皆是，但是燃料電池車加氫站很罕見，這也成了燃料電池商業(yè)化的“攔路虎”。建設(shè)加氫站面臨著成本、安全性等困難。但要想把燃料電池投入市場(chǎng)，并被市場(chǎng)所接受，就必須要克服這些困難來加強(qiáng)加氫站的技術(shù)開發(fā)和建設(shè)。目前，隨著人們對(duì)加氫站的重視以及相關(guān)技術(shù)的成熟，加氫站的建設(shè)工作已經(jīng)有所開展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球新增92座加氫站，創(chuàng)增長(zhǎng)數(shù)新高。截止到2017年1月，全球正在運(yùn)營(yíng)的加氫站達(dá)到274座，其中有4座是2017年初開放的[27]。從各國(guó)政府的遠(yuǎn)景規(guī)劃來看，未來的加氫站也在大量增加，比如德國(guó)計(jì)劃將加氫站由目前的300多座增加到2025年的1 000多座， 日本由目前的100多座增加到800多座[22]。隨著基礎(chǔ)設(shè)施的日漸完善以及加氫站的增多，未來燃料電池更廣泛地走向市場(chǎng)指日可待。

5 結(jié)語(yǔ)

在全球能源消耗日益增加和環(huán)境日益惡化的大背景下，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)與日俱增，世界各國(guó)都在投入巨大的人力物力來開發(fā)新能源。燃料電池作為一種高效率、無污染、無噪音的電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有潛力的發(fā)展對(duì)象。目前，燃料電池憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在一些特殊的領(lǐng)域占有一定的地位，但想要在電動(dòng)汽車、電站、便攜式電源或充電器等民用行業(yè)真正地普及起來仍然任重而道遠(yuǎn)。如果將探索燃料電池這條漫漫長(zhǎng)路比作是西天取經(jīng)，那么這條路已經(jīng)可以看得到盡頭了，成本、壽命和燃料貯存等問題就是這條路上的最后幾“難”，只要逐步消除制約其產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的這些“難”，燃料電池這本“真經(jīng)”才能真正地得到傳播并造福于人類。

[1] EDWARDS P P, KUZNETSOV V L, DAVID W I F, et al. Hydrogen and fuel cells: towards a sustainable energy future [J]. Energy Policy, 2008, 36(12): 4356-4362.

[2] DEBE M K. Electrocatalyst approaches and challenges for automotive fuel cells [J]. Nature, 2012, 486(7401): 43-51.

[3] MAYRHOFER K J J, ARENZ M. Fuel cells: log on for new catalysts [J]. Nature Chemistry, 2009, 1: 518-519.

[4] ACRES G J K. Recent advances in fuel cell technology and its applications [J]. Journal of Power Sources, 2001, 100(1/2): 60-66.

[5] ARNOLD O I. Fuel cell generator: US 06/321,137 [P]. 1983-07-26.

[6] ZHANG J. PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals and applications [M]. London : Springer, 2008.

[7] ZHANG S, SHAO Y Y, YIN G P, et al. Recent progress in nanostructured electrocatalysts for PEM fuel cells [J]. Journal of Materials Chemistry, 2013, 1: 4631-4641.

[8] ZHANG L L, CHANG Q W, CHEN H M, et al. Recent advances in palladium-based electrocatalysts for fuel cell reactions and hydrogen evolution reaction [J]. Nano Energy, 2016, 29: 198-219.

[9] 陸天虹. 能源電化學(xué) [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[10] A basic overview of fuel cell technology [EB/OL]. [2017-06-14] http:// americanhistory. si.edu/fuelcells/basics.htm.

[11] 楊潤(rùn)紅, 陳允軒, 陳庚, 等. 燃料電池的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 平頂山學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 21(2):79-83.

[12] LE T. Fuel cells: The epidemic of the future [J]. IEEE Xplore, 2003: 505-510.

[13] ELLIS M W, SPAKOVSKY M R V, NELSON D J. Fuel cell systems: efficient, flexible energy conversion for the 21st century [J]. Proceedings of the IEEE, 2001, 89(12): 1808-1818.

[14] 51電子網(wǎng). 動(dòng)力源革命，電池技術(shù)變革蘊(yùn)含著挑戰(zhàn)基因[EB/ OL]. (2007-09-07)[2017-07-14]. http://www.51dzw.com/embed/ embed_19531.html.

[15] JOHN. The Invention History of Fuel Cells [EB/OL]. (2013-11-23) [2017-07-14]. http://www.circuitstoday.com/the-invention-history-offuel-cells.

[16] OOTIZ-RIVERA E I, REYES-HERNANDEZ A L, FEBO R A. Understanding the history of fuel cells [J]. IEEE Conference on the History of Electric Power, 2008, 117-122.

[17] 田玫, 孫麗榮, 魏英智. 燃料電池發(fā)展的歷史[J]. 化學(xué)與粘合, 1995, 4: 224-226.

[18] MENG L Q. The history and status of fuel cell [J]. Journal of Electric Power, 2002, 17(2): 99-104.

[19] ANDUJAR J M, SEGURA F. Fuel cells: history and updating. a walk along two centuries [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13: 2309-2322.

[20] 劉建國(guó). 燃料電池微圈-微轉(zhuǎn)化[EB/OL]. (2017-04-18)[2017-07-14]. http://diyitui.com/mip-1492471480.66913759.html

[21] 王曉易. 氫燃料電池的iPhone 你認(rèn)為何時(shí)才能成真？[EB/ OL]. (2015-09-06)[2017-07-14]. http://digi.163.com/15/0906/13/ B2R6QT8E00162OUT.html

[22] LI J Q, FANG C, XU L F. Current status and trends of the research and development for fuel cell vehicles [J]. J Automotive Safety and Energy, 2014, 5: 17-29.

[23] LI G C, JIAN Q F, SUN S Y. Application prospects of proton exchange membrane fuel cells to military affairs [J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(4): 487-490.

[24] 新浪軍事. 深度:國(guó)產(chǎn)AIP動(dòng)力系統(tǒng)獲突破039潛艇或換燃料電池[EB/OL]. (2016-05-03)[2017-07-14]. http://mini.eastday.com/ a/160503113754230.html.

[25] HOU M, YI B L. Progress and perspective of fuel cell technology [J]. Journal of Electrochemistry, 2012, 18(1): 1-13.

[26] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知[EB/OL]. (2016-12-30)[2017-07-14]. http:// www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057585/n3057590/ c5449526/content.html.

[27] 中國(guó)氫能源網(wǎng). 2016年全球新增92座加氫站[EB/OL]. (2017-03-03) [2017-07-14]. http://www.china-hydrogen.org/hydrogen/station/2017-03-03/5967.html

(編輯：溫文)

Basics of fuel cells

YANG Liting①, FENG Ligang①, ZHANG Jiujun②
①School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225002, Jiangsu Province, China；②Shanghai University, College of Science/Institute of Sustainable Energy, Shanghai 200444, China

Fuel cells as a type of the electricity-generation devices that can directly convert chemical energy into electrical energy have emerged out in many application areas due to their advantages such as high efficiency, low pollution, low noise and so on. It was ranked to be one of the cutting edge technologies in twenty-first century by Time Magazine. In this paper, the related concepts and characteristics of fuel cells are over-reviewed in terms of science and technology. The history of fuel cells is recalled, and the latest development of fuel cells in both military and civilian applications are summarized. Finally, the challenges of fuel cells faced currently as well as the application prospectives are also discussed.

fuel cell, history overview, current research

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.04.003

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (21603041) 資助

?通信作者，E-mail: fenglg11@gmail.com; ligang.feng@yzu.edu.cn

??加拿大工程院院士，研究方向：電化學(xué)、電催化、光電化學(xué)、電化學(xué)能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換