国外燃料电池技术的现状及发展趋势

从第一次定义燃料电池到目前，我们正处于的燃料电池商业化发展之路已历经200多年。具体来说，在1802年，Humphry Davy通过在阳极与阴极上分别使用碳基燃料和硝酸，成功构建了原始燃料电池，从而有效证明了燃料电池的概念。随后在1838年，科学家Christ Friedrich Schonbein开始研究燃料电池的一些基本原理。1839年，身为化学家、物理学家和律师的William Grove研究了原始氢燃料电池，他使用充满氢气和氧气的试管以及铂棒充当电极和催化剂，并将其浸入稀硫酸电解液。通过得出的结果，最终证明了在铂催化剂上的氢和氧之间发生电化学反应并产生了电流。1889年，“燃料电池”一词首次提出，并由德国出生的英国科学家Ludwig Mond及其助理Charles Langer首次使用，该团队创建了具有多孔电极以增加三相边界的更实用的燃料电池，同时使用空气和煤气作为易商业化的气体来操作设备［5］。他们还澄清了氧电极的损耗以及内阻的作用。20世纪初，他们进一步尝试将煤炭直接转化为电力，但技术仍然有待于发展。

燃料电池发展中最重要的技术贡献出现于1932年，剑桥的教授Francis Bacon修改了Mond的设备，开发了第一个碱性电解质燃料电池（AFC），但直到1959年，Bacon才演示了实用的5kW燃料电池系统，从而使燃料电池研究向前迈进了一大步。此后1960年代初期，苏联政府和美国宇航局开始了工业伙伴合作，开发用于载人航天任务的燃料电池发电机。作为新技术的聚合物电解质燃料电池（PEMFC）也由此产生并发展。之后的20世纪七八十年代，由于政府、企业和个人逐步提升的环保意识以及相应立法的出现，将燃料电池引入汽车行业，开始试验燃料电池电动车，增加了燃料电池堆叠的功率密度和开发氢燃料储存系统的积极性。燃料电池在固定物体和汽车方面的应用显著扩大，由氢气或氨气供电的车型以及氢燃料内燃机技术开始大范围研究，磷酸燃料电池（PAFC）技术在性能方面得到重大进步，比如当年主要的离网电力大型固定式磷酸燃料电池机组有重大现场演示，其中包括由国际金融公司开发的1MW机组。美国海军也在研究潜艇中可使用的磷酸燃料电池，其高效、零排放、近无声运行的优势，为海军提供了相当大的运营优势。在20世纪90年代，世界注意力转向聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）和固态氧化物燃料电池（SOFC）技术，且应用方向转为小型固定应用。由于其单位成本更低，潜在市场数量更多，小型固定应用具有更迫切的商业可能性。例如，德国、日本和英国等多国政府将其应用到电信站点，或作为住宅微型热电联产的备用电力。清洁运输的政府政策也有助于汽车应用的PEMFC的发展。1990年，美国加州空气资源委员会（CARB）推出了零排放车辆（ZEV）（ICE）的改进。

在过去十年中，随着各种应用商业化，燃料电池出货量迅速增长。随着越来越多的燃料电池套件向消费者出售，便携式燃料电池自2009年以来达到了最快的增长速度，使燃料电池的技术发展进入发展期（见表4-1）。许多国家将其列入高价值制造业和环境技术，使燃料电池成为一个清洁能源制造业持续增长的选项（见表4-2）。

表4-1　国外燃料电池技术发展

（续表）

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表4-2　几大公司的FC亮点

（续表）

21世纪初，政府、企业和消费者对能源安全、能源效率和二氧化碳排放等的关切越来越多。由此拥有极强优势的燃料电池技术开始呈现喷井式发展。参与燃料电池研究的政府和私人资金显著增加。国外大量学者与研究人员重新关注燃料电池基础研究，以实现成本降低和运营绩效的突破，使燃料电池与传统技术具有竞争力。欧盟、加拿大、日本、韩国和美国也都在高调从事燃料电池示范项目，主要是关于固定和运输燃料电池及其相关的加油基础设施方面的研究，以期实现突破。从2007年开始，燃料电池大范围应用于商业用途。成千上万的PEMFC和DMFC辅助动力装置在诸如船只和露营车等休闲应用中商业化，大量固定PEMFC应用到住宅热电联产中。

北美地区国家的不间断电源也大量采用燃料电池，固定式燃料电池行业快速发展。而2009年东芝推出Dynario燃料电池充电器后，便携式行业的出货量也飞速增加。且随着燃料电池系统制造商数量的增加，供应链也在稳步增长。部件供应链和相关服务不断扩大，在北美的燃料电池制造技术领先地区尤其如此。虽然2008年末的全球经济衰退对某些燃料电池公司产生负面影响，然而它给其他公司带来了更加商业化的动力，并寻求可以支持其核心竞争力进一步研发的创收机会。自经济衰退以来，世界各国政府已经将燃料电池视为未来经济增长和创造就业的潜力领域，并为其发展投入了更多的资源。许多西方国家试图将经济重新平衡到高价值制造业和环境技术，目前燃料电池技术已经进入了一个持续增长的时期。