国内燃料电池技术现状分析

我国燃料电池的研究始于1958年，首先由原电子工业部天津电源研究所开展MCFC的研究，但因当时电池材料的腐蚀问题而受挫。1960年代中期，航天曙光计划推动我国FC研究的第一次高潮，全国多家科研院校合作开展飞船FC的研究，中国科学院上海硅酸盐研究所也开展了SOFC的研究。国家在AFC和酸性离子膜FC研究中投入大量资金，到1970年代末，其研究取得一定进展，如中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。

在20世纪80年代，随经济的发展，FC研究规模进一步扩大。其中，大连物化所从事再生型AFC研究，并组装千瓦级水下用石棉膜型氢氧FC。而在“七五”与“八五”期间，燃料电池研究进一步深入。中国科学院长春应用化学研究所承担了PEMFC研究任务，并随后开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMDC）的研究。华南理工大学自1992年以来开展SOFC电催化转化技术研究，并于1995年组装国内第一个以天然气为燃料的管状SOFC试验装置，最终获得成功，该燃料电池可连续放电120h。长春应化所在美国福特基金会的资助下也开展PEMFC的技术研究，利用杜邦公司的Nafion膜制成燃料电池装置，试验发现其寿命达到60h。哈尔滨电站设备成套设计研究所在1989—1991年试验MCFC原型MCFC电池组，实现放电24h。

由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划的推动，加上投资达到逾1亿元规模等原因，1990年代中期我国兴起FC研发的第二个高潮。在这个时期，质子交换膜燃料电池被列为研究重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦级、千瓦级电池组与电池系统。其中5kW电池组包括内增湿部分，其质量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。此外，大连物化所作为燃料电池及氢源技术的国家工程研究中心依托单位，成功研制500W的AFC，并研究MCFC和SOFC相关技术。此后，在“十五”期间，我国“863”计划拨款8.8亿元用于支持混合电动车和燃料电池汽车的研发，“973”计划拨款约3000万元用于储氢技术、质子交换膜和催化剂的研发。也正是在这个时期，中国与全球环境基金及联合国发展计划署成立了燃料电池合作项目，共同提供约1.98万美元的资金支持中国燃料电池项目开发。在“十一五”期间，我国“863”计划、“973”计划和科技支撑计划等重大科技项目对制氢、储氢和加氢技术、燃料电池及其部件和原材料技术的研发继续给予经费支持。其中，燃料电池技术的主要研究内容包括质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极技术、质子交换膜燃料电池水平衡气体扩散层技术、阴极支撑型中温固体氧化物燃料电池技术、熔融碳酸盐燃料电池关键技术，以及其他新型燃料电池技术。国内FC研发情况如表4-3所示。

表4-3　国内FC研发情况

目前，我国对质子交换膜燃料电池的各个组件的开发研究都取得了较大的进展。(www.xing528.com)

在催化剂方面，清华大学科研人员研制出新型铂/碳电极催化剂。它将碳载体在使用前置于一氧化碳中活化处理，即将碳载体置于流动的一氧化碳气体中加热到350～900℃，活化处理1～12h，再用沉淀法把Pt负载到碳载体上，得到Pt/C催化剂。长春应用化学研究所研制出纳米级高活性电催化剂用作阳极催化剂，该催化剂粒度均匀，粒径（4±0.5）nm，电化学性能优于国际同类产品。此外，复旦大学利用沉淀方法在表面活性剂存在时，制得纳米铂/碳催化剂，该催化剂的使用效果也非常好。

在电极组合件方面，北京世纪富原燃料电池有限公司开发出横板涂敷法，从而能够在一片质子交换膜上制作多个膜电极的燃料电池；北京太阳能新技术公司研制出陶瓷型无机复合材料厚膜电极，其材料组分质量百分含量分别为：石墨（25%～30%）、Ag（25%～30%）、Pb（30%～35%）、B（6%～8%）、Si（4%～22%）。这种材料将金属或非金属与导电粉末等氧化物组成的无机黏结剂掺和、丝网印刷与烧结，形成微观网络式导电通道。

在质子交换膜（PEM）方面，清华大学研制出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸质子交换膜（PEM）。其通过将聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶剂中，然后通过加热、回流、保温并引入三氯甲烷形成沉淀的方式制得此种质子交换膜。

在双极板方面，天津电源研究所研制出实用新型双极板，它包括金属板气体反应区域、气体进口、气体出口。金属板上、下面气体反应区域周围分别设有凹槽，气体进口、气体出口与气体反应区域之间分别设置有暗孔道。该设计改善了电池组的密封性，延长了其寿命，提高了性能。大连化学物理研究所研制出的双极板由3层薄金属板构成，中间为导电流不透气液的分隔板，两边分别置有带条状沟槽的导流板，条状沟槽占整个工作面积的50%～80%。这种新颖的设计提高了反应气体的利用率，从而提高了电池性能。

在电解质方面，吉林大学研制出固体复合电解质，它由基体材料Ce1-x Rex O2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金属化合物或NiAl化合物添加剂经过混合、研磨、烧结、冷却、粉碎、研磨等工艺制成。它是用模具直接压制成薄片，烧结后强度可达到10MPa，用它做PEMFC电解质，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多种燃料。上海交通大学研制出的新型电解质带磺酸盐侧基、羧酸盐侧基的聚芳醚酮，可作为PEM的阳离子组分。