浅谈燃料电池的发展

浅谈燃料电池的发展

[摘要] 本篇文章收集了当前国内外从事燃料电池及燃料电池电动车公司或科研机构的大量资料、信息。综合介绍了燃料电池的工作原理、结构特点、优缺点、研制动向，并对国内外汽车公司的燃料电池电动车的研制现状、技术难点、发展趋势、市场预测及竞争的态势作了客观的介绍。

关键词：汽车燃料电池混合动力汽车

前言

当人类步人21世纪，开始面临着三大难题：减少大气污染、改善人类生态环境、节省石油资源。而汽车被认为是上述三大难题的始作俑者。据介绍全球大气污染的近一半是由于汽车造成的，全球80%以上的石油资源被汽车消耗。汽车的排放物被认为是全球温室效应的第三大制造者，它导致了全球变暖。同时人类无节制的开采导致传统的能源（主要是不可再生的化石燃料）正日趋枯竭，过度依赖石油进口引起地缘政治不稳定而且化石燃料燃烧后排放的废气造成严重的空气污染，甚至加速气候变化，因此要实现经济、社会的可持续发展，寻找新的替代能源迫在眉睫。

节能、高效、低污染的燃料电池，是解决上述三大难题的最理想的动力源，它将成为第三代动力源（第一代蒸汽机，第二代内燃机）。它的成功将会是汽车工业的又一次重大变革，也将带来下一个工业革命。所以研究开发燃料电池电动车具有战略意义。因此受到世界发达国家的高度重视，投入了大量人力物力进行研究开发并取的了很大的进展。

1 什么是燃料电池（Fuel Cell）

燃料电池是一种化学电池，但是，它工作时需要连续地向其供给活物质(能起反应的物质)——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释放出的能量转变为电能输出，所以才被称为燃料电池。具体来说，燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过催化剂的作用，使氢与氧发生化学反应，等温、高效、无污染地转化为电能的发电装置，其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80％，实际使用效率是普通内燃机的２倍以上。

燃料电池（ＦＣ）具有能量转化率高，燃料多样化，环境污染小、噪声低、可靠性强、维修性好等特点。因此开发燃料电池汽车，在能源环保形式日益严峻的情况下倍受瞩目。

2 燃料电池的种类及用途

汽车用FC研究最多、最成功的是固体高分子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为第五代FC，由于具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄漏等特点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。但是由于PEMFC需采用贵金属Pt作为电极催化剂，不仅提高了成本；而且限制了燃料只能采用纯氢，因为燃料中的微量CO也可导致Pt中毒。近年来，PEMFC技术取得了重大突破，燃料已经实现内重整，使得系统体积大为减少，有望进一步“减负”；更重要的是催化剂中pt载量大为降低，成本问题有望得到解决，相信PEMFC汽车在不久的将来能够实现商业化。

在PEMFC的基础上，以甲醇代替纯氢直接作为燃料，可以大为简化系统，这种PEMFC称为直接甲醇燃料电池（DMFC）。DMFC具有体积小、重量轻、燃料来源丰富、价格便宜、储存携带方便等优点，是理想的汽车动力源。对于DMFC而言，甲醇的阳极氧化迟缓及甲醇通过Nafion膜（全氟磺酸膜）的渗透所引起的阳极性能衰减是限制DMFC发展的主要问题。目前许多研究人员正在开发新的替代Nafion膜的聚合物膜，也取得了很大的进展。提高甲醇氧化的催化剂活性，减少贵金属用量也是DMFC技术实用化的关键。专家们认为这项技术距离实用化至少还需7年时间。尽管如此，许多人仍把它作为FCV的首选技术进行开发和研究。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全陶瓷结构FC，其能量转化效率最高，操作方便，无腐蚀，与PEMFC相比，燃料适用面广，不须用贵金属催化剂，而且不存在DMFC的液体燃料渗透问题。但是SOFC 受电解质所限，须高温（1000℃左右）工作，导致启动慢，这是SOFC在汽车上应用的致命弱点。随着SOFC 技术的发展，低温SOFC的研究取得了突破性进展，采用新型低温固体电解质和高活性的电极材料，使工

作温度降至500℃以下，若将其再与蓄电池或超级电容器联用，就可以用作汽车的动力源。无论是从技术还是从成本来看，低温SOFC汽车都有希望与PEMFC汽车在未来的FCV市场上一较高下。

除了上述三种FC在汽车上有很好的应用前景，碱性燃料电池（AFC）和磷酸燃料电池（PAFC）这两类最早开发的FC也被应用于汽车，目前均有相应的样车推出。但是在汽车上的应用并不成熟，还有大量的技术问题有待解决，所以不为人们所关注。FC技术日新月异，新的FC将综合各种现有FC技术的优点，有望开发出性能更好、更实用的FCV。

3 国内外的研究现状

国外情况：美国通用电气公司是最早研制燃料电池的公司，早在20 世纪60 年代就将燃料电池用于宇宙飞船，目前该公司正与美国杜邦公司合作，已将PEMFC 的性能，比功率提高了5 倍以上。该公司研制的“氢动一号”燃料电池概念车，已提供作为27 届悉尼女子奥运会马拉松比赛的开道车，它代表当今的最高水平，也预示燃料电池电动汽车已接近实用化的程度。美国能源伙伴公司目前已能提供

5KW,10KW,20KW 的燃料电池，并装于混合动力汽车上。

目前世界各大厂商已结成两大集团，以丰田、通用汽车公司为一方，以戴姆勒—克莱斯勒、福特及三菱汽车公司为另一方，展开了激烈的燃料电池车技术开发竞争。

国内情况：我国在1995 年才开始进行固体高分子交换膜燃料电池（PEMFE）的研究。中科院大连化学物理研究所研制出200W、1kW 和5kW 的燃料电池组，并继续进一步向小型化、轻量化发展。此外北京富原公司、上海神力公司、清华大学、交通大学、天津大学及上海空间能源所等单位也从事这方面的研究，也都取得了一定进展。在燃料电池汽车的开发上，国家科技部已将燃料电池汽车的开发列为“863 计划”的重大专项。“十五”末期，开发出具有市场竞争力并能实现规模生产的燃料电池汽车，关键技术与零部件具备产业化能力与先进技术水平。

4 存在问题及难点

燃料电池电动汽车近些年来取得了很大进展，但由于目前还存在一些难以在短期内解决的技术问题，因此影响了它的实用化进程。其主要难点有:

1) 成本问题。固体高分子质子交换膜燃料电池（PEMFC）还需要贵金属铂作为催化剂，它不仅价格昂贵，而且产量小。目前世界铂金的年产量仅70 吨，按现在燃料电池的用量计算，仅够30 万辆左右的汽车使用。因此，必须研究出铂金的代用材料，方有可能大量推广使用。

2) 氢源问题，包括氢的制备、储存与运输。氢通常通过电解水获取；但是从长远考虑，氢必须通过可再生能源获得，如生物能、水电、太阳能、风能或地热能。对于FCV来说，固态氢是用金属及合金的氢化物吸附氢，就像海绵吸水一样，储氢效率很高，安全性好，是目前最理想的储氢方式。

3) 防止CO 对燃料电池电极的毒化作用。在氢燃料中即使有微量的CO、都会显著降低催化活性，使电池性能急剧下降。因此，必须严格控制CO 数量。

4) 燃料电池工作时水分的调节控制。在工作中，水分过多或过少，都将大大影响燃料电池的性能。因此，必须将水分严格控制在一定范围内。

5) 加氢站等基础设施缺乏是困扰FCV产业化的最大障碍。

5 结论

据大量的调查研究表明，混合动力汽车是目前解决环境与能源问题最切实可行的方案，也是近期汽车发展的主要趋势。世界各主要发达国家都投巨资进行开发。并取得了可喜的进展，目前已达到或接近实用化程度。

我国传统汽车产业发展滞后，发展FCV是赶超世界汽车工业先进水平的唯一机会。我国在FC技术开发上拥有一定的优势，结合先进的汽车制造技术，争取尽快将FCV推向市场，相信在2008年北京奥运会上能够一睹国产FCV的风采。