燃料電池技術

近幾年我國燃料電池的研究開發取得了長足的進展，特別在質子交換膜燃料電池方面，達到或接近了世界水平；在熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池技術等方面也取得一些進展。但在總體上，我國燃料電池仍處于科研階段，與國外相比，水平較低。發達國家都已將大型燃料電池的開發作為重點研究項目，并取得了許多重要成果，各等級的燃料電池發電廠相繼建成，即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用于發電及汽車動力。我國應集中研究力量，加大投入，大力推動燃料電池發電技術的研究開發和應用工作。

燃料電池是一種不經過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變為電能的發電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉化技術之一。按電解質種類可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（pAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（pEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類燃料電池（DMFC），還有如新型儲能電池、固體聚合物型電池等。

氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長遠發展看，高溫型MCFC和SOFC系統是利用煤炭資源進行高效、清潔發電的有效途徑。我國豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來源。

燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、易維護以及成本低的誘人特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、特種、水下機器人、通訊系統、中小規模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網調峰問題。隨著燃料電池的商業化推廣，市場前景十分廣闊。人們預測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四代發電方式[1]，它將引發21世紀新能源與環保的綠色革命。

1，中國燃料電池技術的進展

“燃料電池技術”是我國“九五”期間的重大發展項目，目標是，利用我國的資源優勢，從高起點做起，加強創新；在“九五”期間，使我國燃料電池的技術發展接近國際水平。內容包括“質子交換膜燃料電池技術”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術”及“固體氧化物燃料電池技術”三大項目[2]，其中，用于電動汽車的“5kW質子交換膜燃料電池”列為開發的重點。此項任務由中國科學院及部門所屬若干研究所承擔。所定目標業已全部實現。

在質子交換膜燃料電池（pEMFC）方面，我國研究開發的這類電池已經達到可以裝車的技術水平，可以與世界發達國家競爭，而且在市場份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國自把質子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關計劃的重點項目以后，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在全國范圍內全面開展了質子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統的研究，取得了很大進展，相繼組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統。5kW電池組包括內增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現已開發出200瓦電動自行車用燃料電池系統。百瓦級移動動力源和5kW移動通訊機站動力源也已開發成功。千瓦級電池系統作為動力源，已成功地進行了應用試驗。由6臺5kW電池組構成的30kW電池系統已成功地用作中國首臺燃料電池輕型客車動力源。裝車電池最大輸出功率達46千瓦。目前該車最高時速達60.6km/h，為燃料電池電動汽車以及混合動力電動汽車的發展打下良好的基礎。該電池堆整體性能相當于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯合開發的MK7質子交換膜燃料電池電動車的水平[3]。我國目前正在進行大功率質子交換膜燃料電池組的開發和燃料電池發動機系統集成的研究。

在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國已經研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預測隔膜壽命超過3萬小時。在進行材料部件研究的基礎上，成功組裝和運行了千瓦級電池組。

在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術方面，已經制備出厚度為5-10μm的負載型致密YSZ電解質薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.4W/cm2,負載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.8W/cm2。這些技術創新為研制千瓦級、十千瓦級中溫固體氧化物燃料電池發電技術的研發奠定了堅實基礎。

2，國外燃料電池技術發展迅猛

燃料電池是新世紀最有前途的清潔能源，是替代傳統能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術的研究開發受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視。美國將燃料電池技術列為涉及國家安全的技術之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術之首；日本政府認為燃料電池技術是21世紀能源環境領域的核心；加拿大計劃將燃料電池發展成國家的支柱產業。近十年來，國外政府和企業在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過50億日元[4]。

歐、美發達國家和日本等國政府和企業界都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目，并且已取得了許多重要成果，pEMFC技術已發展到實用階段，使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用于發電及汽車上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，用于特種、航天、汽車、醫院、工廠、居民區等方面；各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成，其中，國際燃料電池產業巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年２月正式投產。美國和歐洲將成批生產低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開發計劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發電正快速進入工業化規模應用的階段。

目前，車用氫燃料電池已成為世界各大汽車公司技術開發的重中之重。迄今為止，世界６大汽車公司在開發氫燃料電池車上的開發費用已超過100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車用燃料電池就達41種。

3，我國開發燃料電池技術相對乏力

我國研究燃料電池有過起落。在20世紀60年代曾開展過多種燃料電池的實驗室研究，70年代投入大量人力物力開展用于空間技術的燃料電池研究，其后研究工作長期停頓。最近幾年，我國才開始重新重視燃料電池技術的研究開發，并取得很大進展。特別在pEMFC方面，達到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國燃料電池的研究開發剛剛起步，仍處于科研階段，與國外相比，我國的燃料電池研究水平還較低，我國對燃料電池的組織開發力度還遠遠不夠。作為世界上最大的煤炭生產國和消費國，開發以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國在MCFC、SOFC研究方面與國外的差距很大，要實現實用化、商業化應用還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發電站的應用實例。這和我國這樣一個大國的地位很不相稱。盡管國家也將燃料電池技術列為"九五"攻關項目，國家和企業投入的資金卻極為有限，年度經費僅為千萬元量級人民幣，與發達國家數億美元的投入相比顯得微不足道；承擔研究任務的也只是中科院等少數科研院所，且研究力量分散，缺少企業的介入，難以取得突破性進展，尤其是難以將取得的研究成果進行實際應用試驗，以形成產業化趨勢。從表1所列國外燃料電池的研究和開發情況看，歐、美國家和日本等大多是以公司企業為主在從事燃料電池的研究開發和制造生產，而且規模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產就達10億美元。

4，大力發展燃料電池技術勢在必行

從世界燃料電池迅猛發展的勢頭看，本世紀頭十年將是燃料電池發電技術商品化、產業化的重要階段，其技術實用性、生產成本等都將取得重大突破。預計燃料電池系統將在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、特種及空間電源等方面有著廣泛的應用前景，潛在市場十分巨大。可以預料，分散電源供電系統——燃料電池發電廠必將在21世紀內取代以“大機組、大電網、高電壓”為主要特征的現代電力系統，成為電力行業的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應用，必將在能源及相關領域引發一場深刻的革命，促進新興產業的形成，帶動國民經濟高速發展。能源領域的這場革命是我國政府、企業、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對此必須有充分認識并給予足夠的重視。我們應該準確把握這場革命所帶給我們的機遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財力，推動燃料電池發電技術的研究開發和應用工作，使之早日實用化產業化，為我國的國家能源安全和國民經濟可持續發展服務。

國家計委在1997年提出的中國潔凈煤技術到2010年的發展綱要中，已把燃料電池列為煤炭工業潔凈煤的14項技術重點發展目標之一[6]。在“十五”科技發展規劃中，燃料電池技術被列為重點實施的重大項目[7]。

鑒于世界燃料電池發電技術的發展迅猛、市場廣闊的前景和我國長遠發展的戰略需要，國家科技部、國家計委、國家經貿委應該聯合制訂我國燃料電池發電技術的發展規劃，既要組織有關高等院校、科研院所積極攻關，更要引導國家電力公司、石油集團、石化集團及汽車、機械制造等工業企業熱情參與，集中力量，加大人力、物力、財力的投入，急起直追，共同推進燃料電池發電技術的研究開發。在具體做法上，我們應從高起點起步，整機引進國外的燃料電池發電設備，可先引進規模較小的電池堆。在努力消化吸收的基礎上，積極創新，這樣可以使我們更快地掌握高技術，有利于加快我國燃料電池電站技術的發展。

另外，MCFC和SOFC對我國具有特別重要的意義，對此，我國近期應選好整體技術的突破點，加強多孔、薄膜電極過程動力學理論、新型關鍵材料的設計、制備及多相復雜界面等方面的基礎研究。