燃料电池的原理_技术状态与展望_衣宝廉
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"% 为活化极化，它为电极上电化学反应的推动 力，"( 为浓差极化，它为电极内传质过程的推动力。 "# 为电池内阻引起的欧姆极化，它包括隔膜电阻、电 极电阻与各种接触电阻，伏安曲线的直线部分的斜 率由它决定，电池电流密度的工作区间就选在此段， 通称这一段斜率为电池的动态内阻。
燃料电池的效率按下式计算： @ ; @A·@=·@+·@5
一个单池，工作电压仅 :0 H I !0 : 伏，为满足用 户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组 > *(J1K ? 。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定 电池组单电池的节数，再依据用户对电池组功率的 要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率 的综合考虑，确定电池的工作面积。
以燃料电池组为核心，构建燃料> 如氢? 供给的分 系统，氧化剂 > 如氧 ? 供应的分系统，水热管理分系统 和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流 电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池 系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动 运行的发电厂，它高效、无污染地将贮存在燃料与氧 化剂中的化学能转化为电能。
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电池工业
衣宝廉：燃料电池的原理、技术状态与展望
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的溶解度很小，导致电池的工作电流密度极低。为此 科学家提出了多孔气体扩散电极和电化学反应三相 界面的概念。正是多孔气体扩散电极的出现，才使燃 料电池具备了走向实用化的必备条件。为稳定三相 界面，开始采用双孔结构电极，进而出现向电极中加 入具有憎水性能的材料———如聚四氟乙烯等，以制 备粘合型憎水电极。对以固体电解质作隔膜的燃料 电池，如质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电 池，为在电极内建立三相界面，则向电催化剂中混入 离子交换树脂或固体氧化物电解质材料，以期实现 电极的立体化。
生成的 79 2 通过多孔石棉膜迁移到氢电极。
图 ! 碱性氢氧燃料电池工作原理图 "#$% ! &’()*+#,- .#/0#’1#-( 02*+ 3,) *14*1#-( 56 7 &6 38(1 0(11
为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧 气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳 极> 氢电极? 排出电池反应生成的水，以维持电解液浓 度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温 度的恒定。
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电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的
作用下，参与氧的还原反应：
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第 % 卷第 ’ 期
电池工业 !"#$%&% ’())%*+ ,$-.&)*+
+,,- 年 + 月
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温度的均匀分布等已成为改善电池组内各节单电池 工作电压的均匀性、提高电池组可靠性的核心技 术。为此，世界各国研制燃料电池的公司均高度保 密。依靠化工过程的原理对上述问题进行模型和实 验研究，进行各种参数的敏感度分析，直至辅助设计 软件的研究已成为燃料电池研究的热点。
各种微型化的温度、压力、湿度等传感元件和可 靠的电磁阀、减压稳压阀等执行元件的改善发展，与 先进的控制程序及其软件的开发等已成为提高燃料 电池系统可靠性的关键。
图 - 燃料电池系统 4+50 6 4# *,*(&.
+ 燃料电池发展的历史 燃料电池是一个自动运行的发电厂。它的诞生、
发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科 学、化工过程和自动化等学科为基础的。
回顾燃料电池发展的历史，从 !C6D 年格罗夫发 表世界上第一篇关于燃料电池的报告至今已有 !H: 余年的历程。从技术上看，我们体会到新概念的产 生、发展与完善是燃料电池发展的关键。如燃料电池 以气体为氧化剂和燃料，但是气体在液体电解质中
回顾燃料电池的发展历史，我们还可以发现在 $) 世纪 -) 年代以前，由于水力发电、火力发电和化 学电池的高速发展与进步，燃料电池一直处于理论 与应用的基础研究阶段，主要是关于概念、材料与原 理方面的研究。燃料电池的突破主要靠科学家的努 力。典型的代表为培根在中温碱性燃料电池研究方 面的成就。进入 -) 年代，由于载人航天器对于大功 率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池 才引起一些国家与军工部门的高度重视。正是在这 样的背景下，美国引进了培根的技术，制成功阿波罗 登月飞船上的主电源—培根型中温氢氧燃料电池。 $) 世纪 .) # ") 年代，由于出现世界性的能源危机和 燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效 率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民 用燃料电池的开发，进而使磷酸型及熔融碳酸盐型 燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。至今还有 数百台 /0$, 1 $)) 2% 3 磷酸燃料电池电站在世界各 地运行。$) 世纪 4) 年代以来，出于可持续发展、保护 地球、造福子孙后代等目的，人类日益关注环境保 护。基于质子交换膜燃料电池的高速进步，各种以其 为动力的电动车已问世，除了造价高以外，其性能已 可与内燃机车相媲美。因此燃料电池电动车已成为 美国政府和大汽车公司关注与竞争的焦点。从投资 上看，在此以前发展燃料电池的投资主要靠政府，而 至今公司已成为发展燃料电池，尤其是燃料电池电 动车的投资主体。世界上所有的大汽车公司与石油 公司均已介入燃料电池汽车的开发，短短几年的时 间，投入约 ") 亿美元，研制成功的燃料电动汽车达 到 5! 种，其中，轿车& 旅行车 $5 种，城市间巴士 4 种，轻载卡车 + 种。今年美国又宣布了一个投资 $, 亿美元的发展燃料电池电汽车的计划，其中国家拨 款 !, 亿美元，三大汽车公司投资 !) 亿美元。
收稿日期：%$$%/$&/!% 作者简介：衣宝廉 # !+&0/ ’ ，男，研究员。 89-.-)0,/P 12 345/6748 # !+&0/ ’ N >46:N B:A:4@9:B,
发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是
储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断
地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时
’ 原理 燃料电池 # RG ’ 是一种等温进行、直接将储存在
燃料和氧化剂中的化学能高效 # S$T U ($T ’ 、无污 染地转化为电能的发电装置 V ! W 。它的发电原理与化学 电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料 如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过 程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子 通过外电路作功并构成电的回路。但是 RG 的工作方 式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油
也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。
RG 本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储
存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。
图 ! 为石棉膜型氢氧燃料电池单池 # A78J6: @:66 ’
的结构和工作原理图。
在阳极N 氢气与碱中的 XY Z 在电催化剂的作用
下，发生氧化反应生成水和电子：
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回顾历史我们还发现，材料科学是燃料电池发 展的基础。一种新的性能优良的材料的发现及其在 燃料电池中的应用，会促进一种燃料电池的飞速发 展。如石棉膜的研制及其在碱性电池中的成功应用， 确保了石棉膜碱性氢氧燃料电池成功地用于航天飞 机。在熔融碳酸盐中稳定的偏铝酸锂隔膜的研制成 功，加速了熔融碳酸盐燃料电池兆瓦级实验电站的 建设。氧化钇稳定的氧化锆固体电解质隔膜的发展， 使固体氧化物燃料电池成为未来燃料电池分散电站 的研究热点。而全氟磺酸型质子交换膜的出现，又促 使质子交换膜燃料电池的研究得到复兴，进而迅猛 发展。至今质子交换膜燃料电池已被看作电动车和 不依赖空气推进的潜艇的最佳候选电源，成为世界 各国竞争的焦点。
图 3 为燃料电池单电池伏安特性曲线。
式中 @A 为热力学效率，即$B - $9，等于 :0 C6；@= 为电 压效率，为电池工作电压与可逆电势 >!0 33D? 之比；@+ 为 电流效率，对于石棉膜型电池，由前所述，接近 !:: E ； @5 为反应气利用效率，一般而言，对采用纯氢、纯氧为 燃料的电池，@5%DCE 。由图可知，当 + ; !:: ./ - 1.3 时，电池工作电压 ! ; :0 DF =G 取 @5 ; :0 DC，代入上式 计算得 @ ; H30 C E 。
第 % 卷第 ’ 期
电池工业 !"#$%&% ’())%*+ ,$-.&)*+
+,,- 年 + 月百度文库
燃料电池的原理、技术状态与展望
衣宝廉
# 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 !!"$%& ’
摘要：论述了燃料电池的工作原理；综述了各种类型燃料电池的发展状态；介绍了中国科学院大连化 学物理研究所自 ($ 年代以来进行燃料电池研究的概况，着重介绍了该所质子交换膜燃料电池的关键 材料与部件制备技术、电池组技术、电池组性能与电池系统的应用情况；回顾了燃料电池的发展历程， 指出燃料电池技术发展与其它学科的关系，提出了产业化的发展方向。 关键词：燃料电池；质子交换膜燃料电池；应用 中图分类号：)*+!!, - 文献标识码：. 文章编号：(+%&/!$$0 # %$$& ’ $!/$$!"/$(
纵观任何一台燃料电池，与化学电池不同，它更 类似于一个自动运行的化工厂。只有依靠化工过程 的原理，正确解决电池电极工作面积的放大和电池 组内的气液传递与分配等诸项技术，才能使燃料电 池走向实用化。时至今日，进一步提高燃料电池的 重量比功率和体积比功率，提高电池的可靠性等， 化学工程学科仍将起着举足轻重的作用。如目前电 极面积仅为几平方厘米的小电池，输出功率密度可 达 ! # $ % & ’($。而当电极面积放大到数百至数千平 方厘米时，由于电流密度分布不均，输出功率密度仅 )* + # )* , % & ’($。确保电极各处均能得到充足的反 应气供应和工作温度均匀是解决这一问题的关键。 引导反应气体走向分布和排热冷却剂分布的流场板 的设计与加工等已成为专利技术或高度保密的专有 技术。同时，由于每个实用的燃料电池组均由多节单 电池按压滤机方式组装而成，在电池组各节单电池 间反应剂与产物的均匀分配和排出，以及电池工作
图 6 阐明了各分系统间的关系。
电流密度，#$%%&’( )&’*+*, - ./0 1. 2 3 图 + 氢氧燃料电池伏安曲线 "#$% 6 9,1+*::(+); 08)<( ,3 56 7 &6 "=
图中 ": 称为开路极化，即当电池无电流输出时 的电池电压与可逆电势的差值，其产生原因是氧的 电化学还原交换电流密度太低，从而产生混合电位。
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燃料电池的效率按下式计算： @ ; @A·@=·@+·@5
一个单池，工作电压仅 :0 H I !0 : 伏，为满足用 户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组 > *(J1K ? 。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定 电池组单电池的节数，再依据用户对电池组功率的 要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率 的综合考虑，确定电池的工作面积。
以燃料电池组为核心，构建燃料> 如氢? 供给的分 系统，氧化剂 > 如氧 ? 供应的分系统，水热管理分系统 和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流 电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池 系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动 运行的发电厂，它高效、无污染地将贮存在燃料与氧 化剂中的化学能转化为电能。
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生成的 79 2 通过多孔石棉膜迁移到氢电极。
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为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧 气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳 极> 氢电极? 排出电池反应生成的水，以维持电解液浓 度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温 度的恒定。
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各种微型化的温度、压力、湿度等传感元件和可 靠的电磁阀、减压稳压阀等执行元件的改善发展，与 先进的控制程序及其软件的开发等已成为提高燃料 电池系统可靠性的关键。
图 - 燃料电池系统 4+50 6 4# *,*(&.
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回顾燃料电池发展的历史，从 !C6D 年格罗夫发 表世界上第一篇关于燃料电池的报告至今已有 !H: 余年的历程。从技术上看，我们体会到新概念的产 生、发展与完善是燃料电池发展的关键。如燃料电池 以气体为氧化剂和燃料，但是气体在液体电解质中
回顾燃料电池的发展历史，我们还可以发现在 $) 世纪 -) 年代以前，由于水力发电、火力发电和化 学电池的高速发展与进步，燃料电池一直处于理论 与应用的基础研究阶段，主要是关于概念、材料与原 理方面的研究。燃料电池的突破主要靠科学家的努 力。典型的代表为培根在中温碱性燃料电池研究方 面的成就。进入 -) 年代，由于载人航天器对于大功 率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池 才引起一些国家与军工部门的高度重视。正是在这 样的背景下，美国引进了培根的技术，制成功阿波罗 登月飞船上的主电源—培根型中温氢氧燃料电池。 $) 世纪 .) # ") 年代，由于出现世界性的能源危机和 燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效 率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民 用燃料电池的开发，进而使磷酸型及熔融碳酸盐型 燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。至今还有 数百台 /0$, 1 $)) 2% 3 磷酸燃料电池电站在世界各 地运行。$) 世纪 4) 年代以来，出于可持续发展、保护 地球、造福子孙后代等目的，人类日益关注环境保 护。基于质子交换膜燃料电池的高速进步，各种以其 为动力的电动车已问世，除了造价高以外，其性能已 可与内燃机车相媲美。因此燃料电池电动车已成为 美国政府和大汽车公司关注与竞争的焦点。从投资 上看，在此以前发展燃料电池的投资主要靠政府，而 至今公司已成为发展燃料电池，尤其是燃料电池电 动车的投资主体。世界上所有的大汽车公司与石油 公司均已介入燃料电池汽车的开发，短短几年的时 间，投入约 ") 亿美元，研制成功的燃料电动汽车达 到 5! 种，其中，轿车& 旅行车 $5 种，城市间巴士 4 种，轻载卡车 + 种。今年美国又宣布了一个投资 $, 亿美元的发展燃料电池电汽车的计划，其中国家拨 款 !, 亿美元，三大汽车公司投资 !) 亿美元。
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发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是
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也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。
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在阳极N 氢气与碱中的 XY Z 在电催化剂的作用
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回顾历史我们还发现，材料科学是燃料电池发 展的基础。一种新的性能优良的材料的发现及其在 燃料电池中的应用，会促进一种燃料电池的飞速发 展。如石棉膜的研制及其在碱性电池中的成功应用， 确保了石棉膜碱性氢氧燃料电池成功地用于航天飞 机。在熔融碳酸盐中稳定的偏铝酸锂隔膜的研制成 功，加速了熔融碳酸盐燃料电池兆瓦级实验电站的 建设。氧化钇稳定的氧化锆固体电解质隔膜的发展， 使固体氧化物燃料电池成为未来燃料电池分散电站 的研究热点。而全氟磺酸型质子交换膜的出现，又促 使质子交换膜燃料电池的研究得到复兴，进而迅猛 发展。至今质子交换膜燃料电池已被看作电动车和 不依赖空气推进的潜艇的最佳候选电源，成为世界 各国竞争的焦点。
图 3 为燃料电池单电池伏安特性曲线。
式中 @A 为热力学效率，即$B - $9，等于 :0 C6；@= 为电 压效率，为电池工作电压与可逆电势 >!0 33D? 之比；@+ 为 电流效率，对于石棉膜型电池，由前所述，接近 !:: E ； @5 为反应气利用效率，一般而言，对采用纯氢、纯氧为 燃料的电池，@5%DCE 。由图可知，当 + ; !:: ./ - 1.3 时，电池工作电压 ! ; :0 DF =G 取 @5 ; :0 DC，代入上式 计算得 @ ; H30 C E 。
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燃料电池的原理、技术状态与展望
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摘要：论述了燃料电池的工作原理；综述了各种类型燃料电池的发展状态；介绍了中国科学院大连化 学物理研究所自 ($ 年代以来进行燃料电池研究的概况，着重介绍了该所质子交换膜燃料电池的关键 材料与部件制备技术、电池组技术、电池组性能与电池系统的应用情况；回顾了燃料电池的发展历程， 指出燃料电池技术发展与其它学科的关系，提出了产业化的发展方向。 关键词：燃料电池；质子交换膜燃料电池；应用 中图分类号：)*+!!, - 文献标识码：. 文章编号：(+%&/!$$0 # %$$& ’ $!/$$!"/$(
纵观任何一台燃料电池，与化学电池不同，它更 类似于一个自动运行的化工厂。只有依靠化工过程 的原理，正确解决电池电极工作面积的放大和电池 组内的气液传递与分配等诸项技术，才能使燃料电 池走向实用化。时至今日，进一步提高燃料电池的 重量比功率和体积比功率，提高电池的可靠性等， 化学工程学科仍将起着举足轻重的作用。如目前电 极面积仅为几平方厘米的小电池，输出功率密度可 达 ! # $ % & ’($。而当电极面积放大到数百至数千平 方厘米时，由于电流密度分布不均，输出功率密度仅 )* + # )* , % & ’($。确保电极各处均能得到充足的反 应气供应和工作温度均匀是解决这一问题的关键。 引导反应气体走向分布和排热冷却剂分布的流场板 的设计与加工等已成为专利技术或高度保密的专有 技术。同时，由于每个实用的燃料电池组均由多节单 电池按压滤机方式组装而成，在电池组各节单电池 间反应剂与产物的均匀分配和排出，以及电池工作
图 6 阐明了各分系统间的关系。
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图中 ": 称为开路极化，即当电池无电流输出时 的电池电压与可逆电势的差值，其产生原因是氧的 电化学还原交换电流密度太低，从而产生混合电位。