我国燃料电池技术进展

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作者: 毛宗强(清华大学核能技术设计研究院)

【摘要】燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。

引言

燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。在科学发达的今天，我们可以将太阳能直接变成热能，也可以将太阳能直接变成电能，但是热和电的大规模直接储存并未解决。太阳能的利用受到天气和地球自转位置的制约。为了解决这个问题，科学家们化费大量的精力去研究太阳能的储存，方法之一是利用太阳能电解水，将得到的氢气和氧气分别储存起来，然后再在需要的时候利用它们经燃料电池（FC）发电，副产品是纯水。因此这是一个完全可再生的无污染的燃料循环。德国于利希（Julich）研究中心已经开始这项试验，并取得了很好的示范效果。

FC以氢气为燃料、空气中的氧气作为氧化剂，通过电化学反应得到电能并生成纯净水。从长远来看，FC将是氢无污染地转化成电能的最佳方案，可以真正做到零排放。

通常，按FC的电解质将其分为：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电他（sOFC）。AFC的工作温度一般为80°C，

KOH为电解质）因对CO2很敏感，有被PEMFC取代的趋势。PEMFC又称为固体聚合物燃料电池（SPFC），在50-100°C下工作，其电解质是一种固体有机膜，用铂做催化剂，但在该温度下铂对CO极其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的动力，目前全世界已有PEMFC大公共汽车在示范运行。1998年，德国奔驰、美国福特和加拿大巴拉德（BALLARD）合资组成DBB公司，计划到2005年年产10万台汽车用PEMFC发动机。PAFCI作在200°C左右，磷酸为电解质，PAFC常用铂作催化剂，也有CO中毒问题，已建成的11MWPAFC电站表明，因排放热的温度低，而使其经济性不佳。从目前技术水平看，PAFC适合作小住宅区的现场电站。MCFC使用熔融的碱性碳酸盐作为电解质，镍做催化剂，工作温度在650°C左右，材料腐蚀是MCFC的难点。SOFC电解质和电极都是陶瓷材料，工作温度在1000°C左右。目前已制成100kw电堆，sOFC的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料，电池效率较高。因此，它是未来大规模清洁发电站的优选对象，缺点是1000°C高温下材料较难解决，目前人们也在研究800°C左右的中温SOFC。

我国FC的研究始于1958年，当时人们凭着一股热情推动燃料电池上马，不过很快就堰旗息鼓了。70年代初，在航天计划的带动下，我国FC的研究掀起高潮，武汉大学、中科院大化所、原电子部天津电源研究所等单位研制AFC并取得一定的成果，后因航天计划改变，FC研究也就基本中止。90年代，环境保护、能源短缺的双重压力，以及国际上FC的突破性进展的带动，我国第二次FC研制高潮逐渐形成。

1 我国燃料电池第一次研究热潮

武汉大学和中科院长春应化所于60年代中期即开始FC的基础研究，后因而中止。1972年，武汉大学与武汉邮电研究院协作研制200W氨一空气FC系统。该系统由电他本体、燃料源和自控设备三部分组成。来自液氨瓶的氨气经裂解成3H2＋N2混合气，冷却后用作负极（氢极）的燃料气；电解质为KOH溶液。

电池工作温度65-75°C，电池输出电压24V，电流9A，消耗液氨5kg／d。电池曾连续在实验室中工作6个月以上。该系统曾用于天津杨村微波中继站，于1978年停止。

在70年代，由于我国航天工业的要求，天津电源研究所及中科院大连化物所都开展AFC研究。1979年，天津电源研究所制成1kW碱性氢氧燃料电池系统，试验时间达1200小时。与此同时，中科院大连化物所曾组装了10kW、20kW以氨气为燃料的碱性燃料电池和碱性石棉膜燃料电他系统。后者分为A、B两种型号，A型以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂；B型以姘一空气为燃料和氧化剂。两种型号燃料电池均通过了例行的航天环模试验。这些FC的主要技术性能列于表1。

由于该电堆的性能还不够稳定，最终没有得到实际应用。 中科院上海硅酸盐研究所1971年就开展SOFC电极材料和电解质材料的研究，是我国最早研制SOFC 的单位。 2 我国燃料电池的研究现状 由于FC具有良好的发展前景，越来越多的单位投入FC的研究。根据1998年第23届全国化学与物理 电源学术会议集统计，有20多个单位的27篇论文直接与FC有关。我国目前研究燃料电池领域主要集中在 PEMFC、SOFC和MCFC，其中尤以PEMFC的研究投入最多。 2．1PEMrC 目前，国内研制PEMFC的单位很多，据不完全统计，计有中科院大连化物所、长春应化所、上海有机所、 山西煤化所；清华大学、北京

石油大学、北京理工大学、天津大学、上海交大、复旦大学、上海大学、厦门大学、 华中理工大学、成都电子科技大学、天津电源研究所、上海空间电源研究院等。其中，北京富原新技术开发总 公司（富原公司）与加拿大新动力公司合作开发出50W-5kW系列PEMFC；中科院大连化物所研制成lkW 及5kW的PEMFC电堆；清华大学研制成低压一体化200W PEMFC系统。其余单位多做一些基础研究工 作，用单电池测量一些参数，还未研究电堆。富原公司的PEMFC电堆参数列于表3；中科院大连化物所kW 级PEMFC电堆和清华大学的PEMFC电堆参数列于表4。

*包括循环水泵

国家科技部已将PEMFC正式列入国家“九五”（19962000）攻关计划，要求2000年底研制出以25kw

PEMFC为动力的电动汽车。在联合国开发计划署（UNDP）支持下，国家科技部还完成了在我国使用燃料电

池公共汽车的可行性研究。

2.2 S0FC

目前，国内研制SOFC的单位较多，有中国科学院大连化物所、化冶所、上海硅酸盐研究所、北京物理

所；清华大学、吉林大学、华南理工大学、中国科技大学等。总体研制水平较低，大都处于SOFC部件研究阶段。

由于SOFC须在1000C高温下工作，工程材料是个突出问题，目前一些单位，如中国科技大学在国家自

然科学基金会和863计划的资助下，对中温SOFC（600-800°℃）展开基础研究。国家科技部已将sOFC正式

列入国家“九五”（1996-2000）攻关计划，要求2000年底研制出1kW平板式SOFC，运行时间1000小时以

上。

2.3 MCrC

我国开展MCFC研究较晚，基本上从90年代初才开始，研究的单位也不多。目前，国内研制MCFC的

单位有中国科学院大连化物所、上海冶金所和北京科技大学等。研制水平基本处于初始阶段，中国科学院大连化物所组装出MCFC单体电池，其性能达国际80年代水平。中国科学院电工所曾考察过国外MCFC示

范电站的系统工程。上海交大燃料电池研究所从日本引进一台MCFC测试装置。国家科技部已将MCFC 正

式列入国家“九五”（1996-2000）攻关计划，要求2000年底研制出1-5kW MCFC，运行时间1000小时以

上。

2.4 FC相关技术和材料的研究

中科院上海有机所正在进行PEMFC用电解质膜的研制。一种电解质膜是和杜邦公司Nafion相似的全

氟磺酸离子膜，另一种是非氟膜。目前，后一种膜已经初步试验，显示出良好的性能。中科院山西煤化所正在进行碳布和碳纸等配套材料的研究。中科院电工所正在进行燃料电池控制系统的研究。

储氢技术是影响燃料电池应用的关键，我国很早就开展储氢技术的研究与开发，目前已具有较高的水

平。浙江大学、南开大学和北京有色金属研究总院（有色院）等是我国贮氢合金、储氢技术研究的主要单位。有色院于70年代未开展这项技术的研究与开发，现已成功开发出以LaNi5为基的AB5型稀土系合金和以

TiFe、TiMn2为基的AB、AB2型Ti系贮氢合金。1997年11月奔驰公司和巴拉德公司与有色院签订了合作

协议，拟由有色院提供组合贮氢器，由德国奔驰公司提供电动大客车，组装成用金属氢化物贮氢的PEMFC

原型车进行示范运行，这说明我国的贮氢技术已经走向国际科技舞台。

目前，清华大学、天津大学等单位正在研究非金属材料储氢技术。

3 结束语

160年前发明的燃料电池正在加速朝商业化的方向迈进。由于我国FC研制停顿多年，研究经费少，因而

和国外相比，这方面的差距还是很大的。国外PAFC已基本商业化，AFC已多次用于字航，而我国FC仍未实际应用或商业示范。相信在政府的支持和引导下，经过我国企业家、科学家和工程技术人员共同努力，可以在不远的将来，赶上和超过世界FC水平。