燃料电池技术发展现状与展望_侯明

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1、第18卷第1期电化学Vol．18No．12012年2月JOURNALOFELECTROCHEMISTRYFeb．2012文章编号:1006-3471(2012)01-0001-13燃料电池技术发展现状与展望*侯明，衣宝廉(中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连116023)摘要:燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视．本文详细阐述了燃料电池的近期研究进展与面临的挑战及未来发展方向．燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题．未来我国应大

2、力推进燃料电池在水下潜器、航天飞行器等特殊领域的应用，解决高可靠性与安全性及环境适应性等关键问题;同时，在民用领域要实现燃料电池寿命与成本兼顾，从材料、部件及系统等3个层次深入技术改进与创新，尽快推进燃料电池的商业化．关键词:燃料电池;动力源;寿命;成本中图分类号:TQ152文献标识码:A1燃料电池工作原理与分类系统，其工作方式与内燃机类似．理论上只要外部不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以持续发燃料电池(FuelCell，FC)是把燃料中的化学电．能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置．按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池(ProtonExchang

3、eMembraneFuelCell，PEM-FC)、磷酸燃料电池(PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)、碱性燃料电池(AlkalineFuelCell，AFC)、固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)及熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonate［1］FuelCell，MCFC)等．以质子交换膜燃料电池为例，主要部件包括:膜电极组件(MembraneElec-trodeAssembly，MEA)、双极板及密封元件等．膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成．电解质隔膜两侧分别发

4、生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水．额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0．7V左右．为了满足一定应用背景的功率需求，燃料电池通常由数百个单电池串联形成燃料电池堆或模块．因此，与其它化图1PEMFC基本原理学电源一样，燃料电池的均一性非常重要．燃料电Fig．1PrincipleofaPEMFC池发电原理与原电池类似(见图1)，但与原电池和二次电池比较，需要具备一相对复杂的系统，通常燃料电池从发明至今已经经历了100多年的包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子历程．由于能源与环境已成为人类社会赖以生存收稿日期:2011-11-21，修订

5、日期:2011-11-30*通讯作者，Tel:(86-411)84379097，E-mail:blyi@dicp．ac．cn国家863课题(No．2011AA11A273)资助·2·电化学2012年的重点问题，近20年以来，燃料电池这种高效、洁净的能量转化装置得到了各国政府、开发商及研究机构的普遍重视．燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空/天及水下潜器等民用与军用领域展现出广阔的应用前景．目前，燃料电池汽车、电站及便携式电源等均处于示范阶段，在商业化道路上还需要解决成本、寿命等一些瓶颈问题．成本和寿命是相互联系的，同时满足两者需求是实现民用燃料电池应用所面

6、临的主要挑战．航天飞机、潜艇动力用燃料电池目前国际上均已应用，图2应用于航天领域的燃料电池(美国)在只侧重寿命、可靠性的特殊领域，现有燃料电池A．Apollo宇宙飞船用燃料电池;B．航天飞机用技术是可以满足应用需求的．因此，根据不同的应燃料电池用背景采用不同的技术路线，是制定燃料电池技Fig．2Fuelcellsforspaceapplication(U．S．)A．fuelcellinApollospacecraft;B．fuelcellin术发展战略的重要基础．spaceshuttle2燃料电池的应用2．1航天领域保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电

7、池产生的水可以供航天员饮用．从1981年早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应首次飞行直至2011年航天飞机宣布退役，在30年用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美期间里燃料电池累积运行了101000h，可靠性达国航天技术的首选．表1列出了燃料电池航天应用［2］到99%以上．中的几个典型案例．以燃料电池为动力的Gemini中国科学院大连化学物理研究所早在70年代宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池酸膜，完成了8天的飞行．由于这种聚苯乙烯磺酸［1］系统，其性能与系统照片如表2和图3所示．A膜稳定性较差，后