浅析燃料电池*

杨莉婷，冯立纲†，张久俊

① 扬州大学化学化工学院，江苏 扬州 225002；② 上海大学理学院/可持续能源研究院，上海 200444

浅析燃料电池*

杨莉婷①，冯立纲①†，张久俊②††

① 扬州大学化学化工学院，江苏 扬州 225002；② 上海大学理学院/可持续能源研究院，上海 200444

燃料电池作为一种将化学能直接转换为电能的发电装置，凭借其发电效率高、污染小、噪音低等诸多优点在各个领域中脱颖而出，被《美国时代周刊》誉为“21世纪的高科技之首”。本文阐述了燃料电池的相关概念及特点，讲述了燃料电池的发展历程，并从民用和军用两大方面介绍了燃料电池的最新进展，最后探讨了燃料电池发展面临的问题并对它的未来进行了展望。

燃料电池；历史回顾；研究现状

能源是人类社会赖以生存和发展的基础，随着人类社会的快速发展，对能源的需求也日益剧增，但人类只靠化石能源不是长久之计。一方面，化石燃料的储量有限，其开采成本在不断上升；另一方面，化石燃料的大量使用，不仅造成了环境污染，还严重危害了人们的身体健康。因此，当务之急是寻求一种清洁、高效、可再生的能源生产方式以实现人类社会的可持续发展。经过反复实验与筛选，氢能进入人们的视野，被誉为“人类社会发展的终极能源”，而燃料电池技术是实现氢能循环利用的一个重要技术手段[1-3]。顾名思义，燃料电池是一种利用燃料里的能量像电池那样提供电能的一种能量转换装置，即在电催化剂的作用下，将可再生燃料(比如氢、有机小分子等)里的化学能转变成电能。和蓄电池不同，燃料电池内部并不贮存反应所需要的化学燃料，它只是提供了一个进行化学反应的场所。电池工作时，燃料由外部供给，在电极上进行反应。只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。我们可以形象地把它比作“发电厂”，燃料和空气被送入燃料电池中，经过“加工”，就会奇妙地生产出电来。

燃料电池的种类很多。根据所用电解质的不同可以分为碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等；根据所用燃料的种类可以分为氢燃料电池、烃类燃料电池和有机小分子燃料电池；根据使用温度可以分为低温(75～100 ℃)型燃料电池、中温(100～500 ℃)型燃料电池和高温(500～1 000 ℃)型燃料电池[4]。

各类燃料电池有各自的特点及应用条件，虽然工作原理简单，但作为一个发电机有着复杂的结构，包括电堆和电路控制系统及附属设备，涉及到工程、化学、材料和电控等学科[5-6]。以质子交换膜燃料电池为例，介绍一下燃料电池的相关概念及特点，来增加读者对燃料电池相关知识、研究历史及现状的了解，并就燃料电池在国计民生领域的潜在应用做些简单介绍，对燃料电池目前发展存在的难题及未来进行了探讨。

1 燃料电池的相关概念及特点

质子交换膜燃料电池的发电需要通过两个电极来实现，在阳极侧需要持续地供给燃料，在阴极侧需要持续地供给氧气(图1)。这与人体的供能模式有些类似，为了维持正常的生命活动需要不断地摄入食物(阳极)及呼吸氧气(阴极)以获得能量，这本身就是一个能量转换过程。在质子交换膜燃料电池中，电能的产生主要是通过质子与氧的“约会”。为了实现这一过程，像人体所需要的生物催化酶一样，燃料电池将燃料里的化学能转变成电能，需在催化剂的帮助下进行。催化剂在这里主要用来提高电催化反应的速度，从而保障顺畅产生电能，因此催化剂的优劣直接关系到电池放电能力的高低，催化剂材料的研究工作目前已经取得了一些可喜的进展[7-8]。

图1 质子交换膜燃料电池示意图

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阴极和阳极采用的是多孔气体扩散电极，主要包括扩散层和催化层。扩散层一般采用碳纸等多孔质的导电材料，用于气体的扩散和电流的传递。催化层则是负载催化剂的地方，一般需要使用导电聚合物作质子导体。聚四氟乙烯(PT-FE)作黏结和液体水脱出剂，使电极形成很好的气、固、液三相，这种电极也被称为气体扩散电极。PEMFC目前采用的电解质主要是磺酸型质子交换膜，它的作用主要是传递质子以及防止燃料和氧化剂直接接触而发生化学反应[9]。质子交换膜燃料电池如以氢气作为燃料，氧气为氧化剂，则电池工作原理如下：氢气通过阳极流场进入燃料电池的阳极，在催化剂作用下发生氧化反应，产生质子，同时释放两个自由电子；质子被阴极所“吸引”，通过质子交换膜传递到阴极侧，而自由电子则通过外电路形成电流后回到阴极；同时，氧气通过流场进入燃料电池的阴极，在催化剂作用下与“吸引”过来的质子和自由电子反应生成水[10]。

质子交换膜燃料电池，反应过程中的唯一产物是水，实现了零污染。另外，采用有机小分子(如甲醇或甲酸)作为燃料的电池，则反应产物是水和二氧化碳，再结合二氧化碳的还原技术，可以实现碳的循环。与其他发电方式相比，燃料电池大大减少了对环境的污染，可以很好地满足对清洁能源的要求。同时，燃料电池的能量转换效率高，它是直接通过燃料和氧化剂的化学反应将化学能转化为电能的，没有燃烧这一过程，因此不受热力学定律的影响，也不受卡诺循环的限制。据报道，汽轮机或柴油机的效率最大值为40%～50%，而理论上燃料电池能量转化率在90%以上，在实际应用中，其综合利用效率亦可达70%[11]。虽然单个燃料电池产生的电量很小，但是通过多个单元燃料电池组装而成的燃料电池堆就拥有很大的供电量，其可供应的电力范围为1 W～1 000 MW，并且它的大小、形貌都是可控的，可应用于多种领域[12]。除此之外，它还具有高倍率性能优异、充电时间很短、噪声低和灵活性大等优点，使燃料电池在市场上具备了很大的竞争优势[13]。

集诸多优点于一身的燃料电池受到了国内外各界人士的青睐。美国《时代周刊》曾将燃料电池列为21世纪的高科技之首；美国矿物能源部长助理克•西格尔也曾说过：“燃料电池技术在21世纪上半叶对技术上的冲击影响，会产生类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”[14]这种高度的评价有力地说明燃料电池广阔的发展前景，燃料电池凭借其独特的优势将在能源领域掀起一股热潮。

2 燃料电池的历史回顾

为了更好地了解燃料电池相关技术，我们回顾一下燃料电池的发展历程(图2)。燃料电池的研究历史最早可追溯至19世纪初期，德国化学家Christian Friedrich Schoenbein是发明燃料电池的功臣，他在1838年发现了燃料电池效应，即在铂电极上氢和氧的反应会产生电流，这一发现打开了研究燃料电池的大门[15]。随后，在一个人们熟悉的水解过程的逆反应实验中，英国的物理学家兼法官William Robert Grove(图3)在1839年发现并报道了这个过程的发电现象。

图2 燃料电池的发展历程

图3 “燃料电池之父”William Robert Grove

Grove把封有铂电极的玻璃管浸入稀硫酸中，先通过电解产生氢气和氧气；然后将另外两条铂片分别放入密封的玻璃管，分别通入电解产生的氧气和氢气，当这两个玻璃管浸入稀硫酸时，两个电极间有电流产生，同时在装有氧气的瓶内有水生成。将多组这样的装置串联起来，就构成了他称之为“气体电池”的装置。这个装置引起了世界各国政府、科研机构和企业的高度重视，后来被公认为是世界上的第一个燃料电池，Grove因此被称为“燃料电池之父”[16]。

尽管Grove的发现引起了很大的轰动，但当时并没有准确的词汇来命名这种电池，直到1889年“燃料电池”这一名词才正式被英国化学家Ludwig Mond和他的助手Carl Langer提出。他们把石棉网状多孔性支持物浸入稀硫酸，以铂黑为催化剂，铂或金做载流体，开发出了电流密度为3～3.6 mA/cm2、电压为0.73 V的燃料电池[17]。现在许多燃料电池都是以此为原型，可见其发明的重大意义。随后，物理化学领域创始人之一Friedrich Wilhelm Ostwald在1893年建立了燃料电池原理的基本理论，并通过实验有效地解释了燃料电池各个组成部分之间的相互关系和作用，这为后来燃料电池的研究提供了很好的理论基础[16]。1900年，Walther Nernst用“能斯特物质”氧化钇稳定氧化锆作为电解质制作了一个燃料电池，标志着固体氧化物燃料电池的诞生。随后Reid在1902年和Lno在1904年用KOH溶液作为燃料电池的电解质，提出了碱性燃料电池(AFC)的概念[18]。1921年，德国E. Baur小组开发出熔融碳酸盐燃料电池，燃料电池的种类也日益增多。

直到1959年，英国剑桥大学的F. T. Bacon发明了双孔烧结Ni气体扩散电极，并向世界展示了第一个真正能工作的燃料电池，即一个5 kW的燃料电池堆，才使燃料电池真正地走出实验室，应用于人们的生产活动。这个电池也称为“培根电池”，是第一个碱性燃料电池。后来普惠(Pratt & Whitney)公司被其所吸引，通过对该系统的改进而开发出的碱性燃料电池(AFC)，成功取代了美国通用电器公司研制的已成功用于“双子星座飞行”的质子交换膜燃料电池，成为了阿波罗登月飞船的主力系统[19]。阿波罗的一小步，不仅迈出了人类文明的一大步，也打响了燃料电池的第一枪。燃料电池在航天技术上的巨大突破大大增加了人们对燃料电池技术的信心，因此到20世纪60年代后期，燃料电池的研究进入了快速发展阶段，各种不同类型的燃料电池如雨后春笋般纷纷问世。燃料电池也不再局限于航空上的应用，而是逐渐渗透到人们生活的方方面面中去。

3 燃料电池的发展近况

从20世纪60年代首次应用于航空事业到现在，经过了60多年的发展，燃料电池技术已经渐入佳境。其中贡献最大的应属加拿大的Ballard Power Systems (BLDP)公司，自20世纪80年代开启了质子交换膜燃料电池的新时代以来，燃料电池堆研发一直处于世界领先地位。从海中的大型潜艇，到天空中的无人机，再到日常生活中的便携式电池，燃料电池的应用随处可见。如今，已被发达国家作为重点研究项目，发展中国家也有涉足。企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，在民用、国防等领域，燃料电池发展迅速(图4)。

图4 燃料电池的应用领域

随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池的发展逐渐走向民用化研究。燃料电池大小的可控性决定了它应用的广泛性。小型燃料电池携带方便，能量密度高，可用作小功率电子设备替换电源；大型燃料电池通过串并联构成的电源系统可供电力范围大，可用作汽车驱动电源或者电站。最近几年，燃料电池已在家庭电源、移动电源、备用电站、电动车等民用领域都取得了很大的进展。以家居用品巨头宜家为例，到目前为止，其零售商已经安装了五座沼气动力燃料电池，补充了其原本的太阳能系统，为门店提供了大量电力；在家庭电源领域，日本住宅燃料电池制造商松下等公司也开始进军欧洲，扩大销售范围[20]。对于手机电源而言，燃料电池也有望取代充电电池，如最近苹果公司一项命名为“便携计算设备使用的燃料电池系统”(Fuel Cell System to Power a Portable Computing Device)专利的公布更是加强了人们对燃料电池民用化的信心[21]。

燃料电池汽车是当前民用领域最可能实现商业化的应用方向。从1994年第一辆燃料电池汽车奔驰NECARI的问世到现在的市场导入阶段，燃料电池汽车的发展一波三折。随着燃料电池技术的不断成熟，在日本、美国、德国和加拿大等发达国家政府及国际汽车业巨头如德国奔驰公司、美国通用汽车公司和日本丰田、本田等企业的支持下，燃料电池车的发展势头强劲。近日，丰田Mirai、本田Clarity燃料汽车在日本的接连上市，再一次引起了全球对开发燃料电池车的关注。韩国现代、德国大众、美国通用、AFC能源公司等汽车业巨头也同样推出了燃料电池的多种展示车型。此外，国际互联网巨头亚马逊也对燃料电池给予了重视。近日，它与燃料电池巨头普拉格能源(PLUG)达成了战略协议，计划在其全球仓储物流网络体系中运用PLUG 所提供的燃料电池及氢能相关技术，为叉车等工业装备提供动力。各大企业间的相互合作将进一步推动燃料电池的迅速发展[20]。

中国在这一领域的起步比较晚，导致其技术与汽车强国相比差距较大。但是在中国“十三五规划”的电动汽车重大科技专项、新能源汽车补贴等政策的支持下，科研团队与企业联合攻关，使中国的燃料电池汽车技术的研发也取得了重要进展[22]。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中国科学院大连化学物理研究所等已分别研制出如游览观光车、中巴车样车等。据统计，国内已有上汽、奇瑞新能源、福田、苏州金龙等14家企业涉足于燃料电池车领域并取得了一定的成果[20]。

随着各国科学技术的不断发展，对作战装备的要求也越来越高。先进的作战装备对国防起着举足轻重的作用。众所周知，战区的地理环境比较恶劣，电力获取难度大，而战争过程中使用的现代化作战工具都需要电的支持，这就对供电系统的性能提出了很高的要求。燃料电池发电系统在军事领域的应用中，除了具有常规电池的优点外，它还具有其他电池不具备的低红外辐射、强隐蔽性等特征，且使用过程中噪音低、散发热量低，这些都使其具备了作为军用电源装备的无可比拟的优势，成为军事领域的“红人”[23]。

燃料电池在军事领域的应用主要集中于潜艇、无人机、通讯设备、士兵携带电源、移动电站等领域。以潜艇为例，其最大的不足之处就是在水下潜伏一段时间后就需要上浮充电，在作战过程中很容易被发现，而以PEMFC作为电源不依赖于空气的推进动力系统(AIP)，凭借较强的续航能力延长了潜艇在水下的时间，而且它运行时不发出任何噪音，降低了被识别的可能性，大大提高了它的作战能力。德国的在这一方面的技术比较先进，早在2005年就试航了第一艘现代化的 AIP 质子交换膜燃料电池潜艇[23]，向世界展示了燃料电池潜艇的优越性。随后，各类改进型FC-AIP 潜艇也都纷至沓来。2016年4月26日，澳大利亚宣布法国DCNC公司的使用燃料电池AIP加锂电池推进系统的短鳍梭鱼级潜艇，击败了此前一度被看好的日本三菱重工的苍龙级潜艇，获得澳大利亚海SEA1000潜艇项目订单[24]。以燃料电池为主要电源的军事设备不仅可以提供较长的运行时间，而且其低辐射、低噪音的特点可以很好躲避侦查；而它作为备用电源时，其不间断发电的特点可以满足野外供电和应急供电的需求。近几年，美、欧、日、韩、中等国家和地区都对燃料电池在军事领域的应用进行了研究，大到潜艇，小到微型电池，都已经取得了一些进展。

4 燃料电池面临的问题及其未来展望

燃料电池作为一种新兴的发电装置，具有十分优越的特点，广受人们的喜爱，并在交通、电子、军用等领域具有广阔的应用前景。但是由于其技术的局限性，使得燃料电池在发展过程中还存在着许多问题。在这里对燃料电池在发展中所遇到的瓶颈进行了分析并对其未来的发展进行了展望。

(1)燃料电池性能提高的“源头活水 ”——关键材料的研发。燃料电池的成本及其寿命问题是制约燃料电池商业化的重要原因。提高燃料电池的性能和寿命一直是科学研究者关注的焦点，其中关键材料的研发是解决这个问题的源头活水。燃料电池的关键材料主要包括催化剂、质子交换膜、双极板和绝缘端板等。当前，高性能燃料电池关键材料的研发与产业化应用已经成为限制燃料电池技术进步的主要问题之一。

催化剂是保证燃料电池电化学反应活性的关键，已成为燃料电池领域最为热门的研发方向之一。催化剂研究内容涵盖多元合金催化剂、核壳催化剂、非贵金属催化剂以及阴极催化反应机理研究。目前国内外的研究重点在于研发代替或部分代替贵金属铂的新型催化剂，并通过优化制备方法，进行多种材料的复合以及利用形貌控制等方式提高催化剂活性与稳定性[7]。

质子交换膜作为燃料电池系统的另一类重要核心材料，同样是影响电池性能和寿命的关键因素。在质子交换膜的研究上，研究者们已经成功进行不同材料如多孔材料、碳纳米管和TiO2纳米管等与全氟磺酸树脂的复合，降低成本的同时也有效地提高了膜的性能[25]。近日美国特拉华大学报道了一种自愈合隔膜材料可以自行修复电池隔膜上出现的裂纹和小孔，这一发现可大大地延长交换膜的寿命[20]。

膜电极制备也是提高燃料电池性能的关键。膜电极作为电化学反应场所，是燃料电池系统的核心功能部件，其未来的研发方向主要包括增强膜电极三相反应界面及其稳定性、均一性、持久性。

燃料电池堆的设计上承系统运行要求，下接关键材料性能，同时还要考虑流体力学行为与电化学反应过程，是基础研究与工程设计结合的产物。电池堆设计根据所处研发阶段而面临相应的技术瓶颈，包括电池堆运行的可靠性、稳定性、安全性及寿命等。

(2) 燃料电池的高价格是限制其真正商业化的巨大障碍。开发既便宜又高性能的燃料电池堆是可持续商业化的保证。燃料电池的商业化离不开政府的支持与鼓励，燃料电池从研发到制备再到推广都需要庞大的资金。以丰田最近推出的Mirai氢燃料电池车为例，在日本的售价为723.6万日元，享受国家补贴后，消费者实际承担的费用在520万日元左右。这样的价格与同等价位的燃油车相比仍然不具备明显的竞争优势。离开了政府补贴，那么价格昂贵的燃料电池车对于普通人而言只能是可望而不可即。如今，世界各国都对燃料电池给予了高度的厚望，也纷纷出台了对燃料电池的扶持政策。燃料电池的发展潜力很大，预计在未来几年内，燃料电池想要更好更快地走向市场，走向民用化，仍然需要政府的大力扶持。目前，中国的财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委等部门，在2016年底发布了《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，新政策规定除燃料电池汽车外，各类车型2019－2020年中央及地方补贴标准和上限，在现行标准基础上退坡20%，对于燃料电池汽车补贴将维持2016年标准不变[26]。政府对燃料电池汽车的这一“偏爱”将成为燃料电池得以快速商业化的“催化剂”。当然，开发既便宜又高性能的燃料电池堆才是其可持续商业化的保证。

燃料电池的发展与其配套的基础设施密不可分。如今，为电动车或者混合动力车提供能量的充电桩、加油站已比比皆是，但是燃料电池车加氢站很罕见，这也成了燃料电池商业化的“拦路虎”。建设加氢站面临着成本、安全性等困难。但要想把燃料电池投入市场，并被市场所接受，就必须要克服这些困难来加强加氢站的技术开发和建设。目前，随着人们对加氢站的重视以及相关技术的成熟，加氢站的建设工作已经有所开展。据统计，2016年全球新增92座加氢站，创增长数新高。截止到2017年1月，全球正在运营的加氢站达到274座，其中有4座是2017年初开放的[27]。从各国政府的远景规划来看，未来的加氢站也在大量增加，比如德国计划将加氢站由目前的300多座增加到2025年的1 000多座， 日本由目前的100多座增加到800多座[22]。随着基础设施的日渐完善以及加氢站的增多，未来燃料电池更广泛地走向市场指日可待。

5 结语

在全球能源消耗日益增加和环境日益恶化的大背景下，人们的环境保护意识与日俱增，世界各国都在投入巨大的人力物力来开发新能源。燃料电池作为一种高效率、无污染、无噪音的电化学转换装置，被认为是21世纪最具有潜力的发展对象。目前，燃料电池凭借其独特的优势已经在一些特殊的领域占有一定的地位，但想要在电动汽车、电站、便携式电源或充电器等民用行业真正地普及起来仍然任重而道远。如果将探索燃料电池这条漫漫长路比作是西天取经，那么这条路已经可以看得到尽头了，成本、寿命和燃料贮存等问题就是这条路上的最后几“难”，只要逐步消除制约其产业化和商业化的这些“难”，燃料电池这本“真经”才能真正地得到传播并造福于人类。

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(编辑：温文)

Basics of fuel cells

YANG Liting①, FENG Ligang①, ZHANG Jiujun②
①School of Chemistry and Chemical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225002, Jiangsu Province, China；②Shanghai University, College of Science/Institute of Sustainable Energy, Shanghai 200444, China

Fuel cells as a type of the electricity-generation devices that can directly convert chemical energy into electrical energy have emerged out in many application areas due to their advantages such as high efficiency, low pollution, low noise and so on. It was ranked to be one of the cutting edge technologies in twenty-first century by Time Magazine. In this paper, the related concepts and characteristics of fuel cells are over-reviewed in terms of science and technology. The history of fuel cells is recalled, and the latest development of fuel cells in both military and civilian applications are summarized. Finally, the challenges of fuel cells faced currently as well as the application prospectives are also discussed.

fuel cell, history overview, current research

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.04.003

*国家自然科学基金项目 (21603041) 资助

†通信作者，E-mail: fenglg11@gmail.com; ligang.feng@yzu.edu.cn

††加拿大工程院院士，研究方向：电化学、电催化、光电化学、电化学能源储存与转换