燃料电池研究方兴未艾

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1、燃料电池研究方兴未艾燃料电池具有效率高、污染小或无污染、不需充电、高能量密度和高功率密度等优点。20世纪90年代初，聚合物膜燃料电池技术取得了重要进展，同时环境和资源问题日益突出，这些因素使得燃料电池显示了空前光明的商业前景。于是燃料电池成为各国争相研究开发的高科技项目，许多企业对燃料电池的研究开发进行了大量投入。我国也于1997年启动了总计1500万元人民币的燃料电池攻关项目。　　燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置。与一般电池不同的是，其所需的化学燃料并不储存了电池内部，而是从外部供应，便于燃料的补充，从而电池可以长时间甚至不间断地工作。另一方面，燃料电池除了电池本身之外，还

2、需要燃料和氧化剂供应等配套部件与电池堆一起构成一个完整的燃料电池系统。　　燃料电池按所用电解质的不同分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和聚合物膜燃料电池。国内外目前对燃料电池的研究主要集中于固体氧化物燃料电池和聚合物膜燃料电池。　　固体氧化物燃料电池的工作温度较高，对工程和材料等的要求严格，其使用场合也受到一定限制。另一方面它又有突出的优点，如不需要使用贵金属催化剂、燃料转化可以在电池内部进行、燃料可以多样化、电解质稳定以及抗催化剂中毒性好等。　　聚合物膜燃料电池在各类燃料电池中虽出现较晚，但发展很快。其结构简单紧凑，比其他燃料电池有更高的能量密度

3、和功率密度，而且可快速启动，维护方便。聚合物膜燃料电池的能量密度和功率密度甚至远超过镍氢电池和锂离子电池，所以重要更轻、使用时间更长，而且燃料的添加或更换又远比充电快捷方便。现在人们普遍认为聚合物膜燃料电池的最重要用途在电动车。美国、加拿大、日本、德国等国早已推出了聚合物膜燃料电池电动车样车（或称概念车），并宣称要2005年前后商业化。然而聚合物膜燃料电池规模的差别很大，从几瓦到上百千瓦的电池堆都在开发中，小到电话电池，大到移动电站，人们都看好聚合物膜燃料电池。　　目前最接近实用的聚合物膜燃料电池以氢为燃料，以铂为电催化剂，以全氟磺酸膜为电解质。这种电池本身的技术性能已达到很高的水平。

4、氢储的困难是完整电池系统的最大技术挑战，并使整体电池的性能受到牵制。另外铂和全氟磺酸膜均很昂贵，使电池的成本尚不能与多数应用相适应。　　解决储氢问题的另一个思路是直接以其他燃料替代氢。甲醇聚合物膜燃料电池是当前最被看好的一种。甲醇在常温常压下为液态，所以完全没有储氢所遇到的困难。另外甲醇廉价并可由易再生的植物原料得到，早在20世纪70年代的能源危机时就被看好为替代石油的理想燃料。但是，甲醇聚合物膜燃料电池在技术上遇到了新的问题，问题之一是尚缺乏阻醇和导电均较理想的聚合物电解质膜，其次是尚未找到对催化甲醇活性很高的电催化剂。　　针对聚合物膜燃料电池的技术挑战，人们正在进行广泛的研究并已取

5、得卓有成效的结果。在聚合物膜方面，人们已经就造价和阻醇等问题提出了多种方案，有的显示了潜在的竞争力，有的已证实使电池性能显著提高。在膜电极制备方面，人们已经对电催化机理有了较深入的了解，并在此基础上提出了各种优化的制备方法，使催化剂效率快速提高。人们还将组合化学方法应用于快速制备和筛选催化剂，最近选出的四元催化剂使甲醇燃料电池的电流密度提高了30％～60％（此研究被评为1998年世界十大科技成果之一）。　　尽管人们普遍认为聚合物膜燃料电池的最重要用途在电动汽车，但电动车要实现与普通汽车的竞争还有很长的路要走。一方面聚合物膜燃料电池必需在性能和价格上可与内燃机发动机竞争，需要进行如降低聚

6、合物膜价格、提高贵金属利用效率、提高燃料储存效率等棘手的工作。另一方面还需要为电动车配套基础设施，正像汽车的发展还依赖于完善的修配和加油站网络。除此之外我们会发现，聚合物膜燃料电池在其他应用领域也同样大有市场，如用于移动电话、录像机、笔记本电脑等的几瓦到几百瓦的小型聚合物膜燃料电池等，因此研究开发小型聚合物膜燃料电池同样具有重大意义。　　小型聚合物膜燃料电池有自身的特殊性。一般而言，越小的电池要求整个燃料电池系统越紧凑，所以对小型燃料电池系统需要进行更精细的设计。另一方面，小型聚合物膜燃料电池的研究开发有十分有利的条件，例如：一般不需要考虑应用中基础设计的配套问题；膜材料的选择范围更宽

7、，电催化剂的稳定性要求相对较低；燃料分配、散热、排水等问题相对简单；更有条件进行多方案设计和多方案间的比较。　　因此，研究和开发小型聚合物膜燃料电池前景非常光明，而且很有可能在今后不太长的时间内使其具有商业竞争力。《中国化工报》2002.4.1文/王宇新