汽车燃料电池的发展现状

燃料电池（Fue1Ce11，FC）是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的“发电装置”。

1839年，英国物理学家威廉·格拉夫（Wi11iam R.Grove）爵士发表了世界上第一篇关于燃料电池的研究报告，即在实验室里利用电解水的逆反应成功地得到了电流。格拉夫研制的单体燃料电池采用镀制的铂（p1atinum，Pt）作电极，以氢气为燃料，以氧气作氧化剂。报告指出——强化气体、电解液与电极三者之间的相互作用，是提高电池性能的关键，从此拉开了研制燃料电池的序幕。

1923年，施密特（A.Schmid）提出了多孔气体扩散电极的概念。英国的培根（F.T.Bacon）教授在此基础上又提出了双孔结构电极的概念，并采用非贵金属催化剂和自由电解质，成功开发了中温（200℃）型（即培根型）碱性燃料电池（A1ka1ine Fue1 Ce11，AFC）。

1960—1965年间，美国普拉特·惠特尼（Pratt－Whitney）公司受美国国家航空航天局（Nationa1Aeronautics and Space Administration，NASA）委托，在培根型AFC的基础上，为“阿波罗（Apo11o）”登月飞行成功开发了PC3A型碱性燃料电池系统。PC3A电池组正常输出功率可达1.5 kW，过载能力可达2.3 kW。到1990年，54套PC3A型碱性燃料电池系统9次用于“阿波罗”登月飞行、太空实验室（sky－1ab）以及Apo11o－Soyus飞行的总工作时间达10 750 h。

20世纪70年代，美国联合技术公司（United Techno1ogy Corporation，UTC）在NASA的支持下，成功开发了航天飞机使用的石棉膜型碱性燃料电池系统，并于1981年4月首次用于航天飞机飞行。

20世纪70年代以后，由于燃料电池在航天飞行上的成功应用和世界性的能源危机，提高燃料有效利用率的呼声日益高涨。此时，科学家们从20世纪60年代的研究经验认识到，化石燃料只有经过重整或汽化转化为富氢燃料之后，才适用于燃料电池发电。因此，各国研究的重点转移到了以净化重整气为燃料的磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fue1 Ce11，PAFC）和以净化煤气、天然气为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池（Mo1ten Carbonate Fue1Ce11，MCFC）。至今已有近百台PC25磷酸型燃料电池电站（200 kW）在世界各地运行。实践证明，这种电池发电运行高效可靠，能够广泛作为各种应急电源和不间断电源使用。熔融碳酸盐型燃料电池已有2 MW实验电站正在运行，目前此类燃料电池正处于商品化的前夜。(www.xing528.com)

在固体氧化物型燃料电池（So1id Oxide Fue1Ce11，SOFC）的研究方面，西门子－西屋动力公司（Siemens Westinghouse Power Corporation，SWPC）是管式高温SOFC技术的先锋。我国正在进行平板型SOFC的开发与研究，中国科学院上海硅酸盐研究所在“九五”期间，已经成功研制800 W的平板型高温固体氧化物燃料电池组。SOFC采用固体氧化物膜作为电解质，在800～1 000℃工作，直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料，利用余热与燃气、蒸汽轮机构成联合循环发电。SWPC已经制造和运行了多套标称功率达220 kW的完整电站系统。1998年3月，SWPC生产的25 kW联合循环SOFC发电系统已在美国新泽西州中部的埃迪逊（Edison）投入使用；2001年，SWPC在荷兰成功地完成了100 kW SOFC电站连续16 612 h运行试验。

在质子交换膜型燃料电池（Proton Exchange Membrane Fue1Ce11，PEMFC）的研究方面，早在20世纪60年代初期，美国通用电气公司就研制出了以离子交换膜为电解质的隔膜，并用聚苯乙烯磺酸膜成功研制了PEMFC，该电池于1960年10月首次用于“双子星座（Gemini）”号宇宙飞船上作为飞船的主电源。使用中发现聚苯乙烯磺酸膜在电池工作过程中会发生降解，不仅导致电池寿命缩短，而且还会污染电池的生成水，使宇航员无法饮用。尽管美国通用电气公司后来采用杜邦（Du Pont）公司成功开发的含氟磺酸膜，延长了电池寿命（这种PEMFC的运行寿命超过57 000 h），解决了电池的生成水被污染的问题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载试验，但在美国航天飞机用电源的竞标中，PEMFC仍因成本和技术方面的原因而未能逃脱失败的厄运，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池，致使PEMFC的研究跌入低谷。

到1983年，加拿大国防部看到这种在室温条件下就能快速启动的PEMFC具有广泛的军用价值，便斥资资助巴拉德动力系统股份有限公司（Ba11ard Power System Incorporated，BPSI）进行PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，PEMFC技术取得了突破性进展。首先，采用薄（50～150μm）而电导率高的Nation和Dow全氟磺酸膜，使电池性能提高数倍。接着又采用铂／碳催化剂代替纯铂黑，在电极催化层中加入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化，并将阴极、阳极与膜热压到一起，组成电极－膜－电极“三合一”组件（Membrane－E1ectrode－Assemb1y，MEA）。这种工艺减少了膜与电极的接触电阻，并在电极内建立起质子通道，扩展了电极反应的三相界面，增加了铂的利用率，不但大幅度提高了电池性能，而且使电极的铂用量降至低于0.5 mg／cm2而大大降低了成本，电池输出功率密度高达0.5～2 W／cm2，电池组的质量比功率和体积比功率分别达到700 W／kg和1 000 W／L。目前，Ba11ard公司已和美国三大汽车公司、奔驰汽车公司、沃尔沃汽车公司、日本马自达汽车公司、三菱汽车公司和日产汽车公司等合作，组成跨国公司制造PEMFC和SOFC，成为世界上最大的燃料电池供应商。

PEMFC除具有能量转化效率高（40%～60%）、无污染等一般燃料电池的特点之外，还具有可在室温下快速起动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，它特别适合用作可移动动力源，是电动汽车和不依靠空气推进潜艇的理想电源之一。目前，各种以PEMFC为动力的试验样车已在运行，其性能不仅可与内燃机汽车媲美，而且没有污染。