燃料电池的发展趋势及应用前景综述

邵明标

(阜阳幼儿师范高等专科学校，安徽 阜阳 236015)

随着全球工业化进程的不断加快，所需化石燃料也越来越多，对环境造成的污染日益加剧，现迫切需要寻找可作为替代品的清洁能源。氢能因其具有热值高、能量转化率高等特点，是一种理想的清洁能源[1]，燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种将氢气(H2)和氧气(O2)通过电化学反应直接将化学能转化为电能的装置，其反应过程不受卡诺循环限制、无污染、能量转化率高，对环境零污染。因此，受到较多企业的关注，具有较为广阔的应用前景[2]。

1 燃料电池基本简介

1.1 燃料电池分类

燃料电池种类较多，依据分类方法不同，可以分为多种。根据电解质的类型不同，可分为五类[3]：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)，相关性能具体见表1。

表1 燃料电池的分类

1.2 燃料电池(PEMFC)工作原理

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新能源发电装置，具有广阔的应用前景。因工作温度低、能量转化率高、启动时间短等特点[4-5]，广泛应用于移动电源、家用电源、电动汽车等领域。

如图1所示，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由以下四部分组成：阳极、阴极、电解质及外部电路。

阳极：氢气(H2)在阳极上发生可控催化的化学反应，分离为氢原子核(H+)和电子；电子再由阳极出发，经外部电路，到达阴极，并最终形成电流；氢原子核(H+)则存于电解液中，也从阳极出发，透过质子交换膜，最终到达阴极。

阴极：氧气(O2)在阴极发生可控催化反应，与阴极的电子结合，分解成氧分子(O2-)，最后再与质子相结合，生成水分子(H2O)。

图1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作原理示意图[6]

2 燃料电池国内外研究现状分析

燃料电池起源于1838年，Willian Robert Grove于1843年公开发表并提出“气体电池”的原始模型，被称为“燃料电池之父”，其所使用的实验装置也被称为燃料电池的第一个装置，气体电池的工作原理为燃料电池的诞生奠定了理论基础[4]。

燃料电池因制造成本、电极材料、市场等限制，多年来未受重视。直至20世纪60年代，随着卫星和太空宇宙飞船等领域的迅猛发展，使得燃料电池技术再次得到重视，加之能源匮乏和环境污染等问题的日益突出，使得燃料电池技术得到了合理的开发。

我国燃料电池技术研究始于20世纪50年代末，到70年代出现了第一次研究高峰，主要用于航天航空领域的碱性燃料电池(AFC)，如肼/空气、氨/空气、乙二醇/空气燃料电池等。到了80年代，我国燃料电池研究一度处于低潮期，自90年代以来，随着国外燃料电池技术的不断发展，在国内掀起了新一轮的研究热潮，但截止目前，我国的燃料电池技术与国外相比仍有差距，整体产业处于研发和小规模示范运行阶段。尽管通过国家相关政策的扶持，已初步掌握了燃料电池电堆和关键材料、动力系统等的核心技术，但在关键材料的开发使用及工艺等方面与国外相比仍有明显差距[7-15]。

3 燃料电池产业化发展存在问题

随着环境问题的日益突出，人们迫切需要寻找既有较高的能源利用效率，而又不对环境造成污染的新能源，而燃料电池是比较理想的发电技术。燃料电池的特点既可应用于军事、航空航天等领域，也可应用于民用，如机动车、移动设备等领域。伴随着燃料电池技术的不断突破和创新，燃料电池的小型化设计因符合市场的需求，也成为燃料电池的发展方向之一，可作为笔记本电脑、照相机、无线电电话等携带型电子产品的电源。

但我国在燃料电池技术研究方面仍存在一些问题，如：过多对燃料电池应用方面进行研究，而对质子交换膜燃料电(PEMFC)的市场化尚未进行实现研究，而燃料电池的发动机、备用电源、电站等项目，都只是由政府买单的研发-示范项目，距离实现商业化还有较大差距。而燃料电池能否顺利实现商业化，是能否实现节能环保的重要保障。此外，研究燃料电池技术所需的成本(如资金、材料、催化剂等问题)和燃料电池使用寿命，同样是影响其能否实现商业化的重要保障[16-25]。

4 燃料电池应用前景分析[26-37]

燃料电池技术的实用性已经得到业界公认，尽管目前还存在一些问题，如燃料电池的研发与利用等方面，但作为较为理想且能达到零污染的清洁能源，燃料电池技术研究及应用已急剧增加。随着对燃料电池成本的控制和氢能技术的不断发展，其应用领域也正不断拓宽，并形成良好的良性循环，燃料电池商业化进程中的问题也将会逐步得到解决。此外，随着我国政府对燃料电池技术的高度关注，也使得研究单位越来越多，且具有多年的人才储备和科研积累、产业部门的兴趣也不断增加等，这些都将为我国燃料电池技术的高速发展带来了无限的生机。

5 结论

燃料电池技术研究对于缓解能源危机和环境污染具有重大的战略意义，尽管现阶段仍有很多技术难题需要克服，如在技术及商业化推广等方面。但相信随着燃料电池技术研究的不断发展，都将会得到解决，而燃料电池因其能量转换率高、安全环保等特点，对于未来的社会和经济将起到重要的支撑和保障作用，逐渐成为未来能源发展的重要方向之一。