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[交流] 燃料电池电催化剂的基础研究

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置，可分为碱
性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(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)、直接醇类燃料电池(DAFC)、生物燃料电
池(BFC)、金属(铝、锌、镁)/空气(过氧化氢)燃料电池等。与内燃机相比，燃料电池不
受卡诺热机原理的限制，只要不断提供燃料则可连续发电，其特点可概括如下：
(1) 能量转换效率高。理论上，高温燃料电池(如SOFC、MCFC)的能量转化效率可达85%
～90%，电池在实际工作时由于各种极化其能量转化效率约为 50%～60%，若实现热电联
供，燃料的总利用率可达80%以上。低温燃料电池(如PEMFC、DAFC)依不同系统实际能量
转化效率约为35％～70%。
(2) 环境友好。当燃料电池以富氢气体为燃料时，其CO2的排放量比热机过程减少40%以
上，若以纯氢气为燃料，其电化学反应产物仅为水。CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物
的排放量大幅度降低或消除。
(3) 安静。燃料电池依电化学反应原理工作，运动部件少、工作噪声低。实验表明，一
个40千瓦的PAFC电站，与其相距4.6米的噪声仅为60分贝，而4.5兆瓦PAFC电站的噪声仍
低于55分贝。
(4) 启动速度快，可靠性高。PEMFC、DMFC等启动时间仅为几秒钟。在交通运输、可移
动电源等应用方面，快速的“冷启动”有着重要的实用价值。AFC和PAFC作为空间电源
、各种应急电源和不间断电源以及分散式电站的实际运行均证明了燃料电池的高度可靠
性。
近年来，PEMFC、SOFC、DMFC的研究开发令人瞩目。PEMFC在交通、运输、低容量分散电
站等方面具有良好的市场前景。自1993年加拿大 Ballard电力公司成功地演示了PEMFC
电动巴士以来，国际上诸多著名汽车公司对PEMFC的研究开发高度重视，不同类型的以
PEMFC为动力的概念车相继问世，如戴姆勒-克来斯勒公司的Necar系列、雷诺公司的
Laguna型、福特公司的P2000型、马自达公司的Demio型、丰田公司的 RAV4型以及大众
、通用、尼桑公司研制的概念车均采用PEMFC为单一动力或混合动力，在电池系统和整
车研制方面取得了长足进展。
PEMFC另一个巨大的市场是潜艇动力源。核动力潜艇造价高、退役时核材料处理难，柴
油机为动力的潜艇工作时噪声大、发热高，潜艇的隐蔽性与安全性受到严重挑战。开发
不依赖空气、续航里程长的非核动力潜艇已势在必行。德国Siemens公司先后建造了四
艘以300千瓦PEMFC为动力的混合驱动型潜艇，计划用作海军新型212潜艇的动力电源。
与斯特林发动机相比，PEMFC为动力的潜艇其续航能力约增加一倍，且可显著提高安全
性与隐蔽性。PEMFC其它潜在应用市场，如无缆水下机器人、家庭用分散电站、移动电
源、不间断电源等也显示了良好的应用前景，随着PEMFC技术的日臻完善和成本的不断
降低，新的应用市场也必将不断显露出来。
SOFC近年来发展迅速，2003年以来，SOFC俨然成为高温燃料电池的代表。若将余热发电
计算在内，SOFC燃料至电能的转化率高达60％以上。最近，SOFC由于可以在相对低的温
度(如600 ℃)条件下工作，在很大程度上拓展了电池材料的选择范围，简化了电池堆和
材料的制备工艺，降低了电池系统的制造和运行成本。该电池在使用常规燃料方面具有
明显的优势，如可用脱硫煤气，天然气和各种碳氢化合物为燃料。对于发电能力在50千
瓦左右的小型电站，可用于地面通讯、气象台站等；发电能力为 200～500千瓦的中型
电站，可用于水面舰船、机车、医院、海岛、边防的热电联供；发电能力在1兆瓦以上
的大型电站，可与热机联合发电，进行区域性供电或与市电并网。
SOFC有管型和平板型两种结构。管型结构的主要特点是电池组装相对简单，缺点是电流
通过电极的路径长，电阻大，电池的输出功率密度较低。平板式SOFC 制备工艺简单，
造价低，由于电流收集均匀、流经路径短，其输出功率密度通常高于管式，主要缺点是
密封困难，抗热循环性能较差以及难以组装成大功率电池组。德国Siemens公司已经制
造和运行了多套功率为220 kW的管式SOFC电站，并形成了每年4 MW的生产能力，电池寿
命预期为10年，未来商品化电池的寿命预期为10～20年。加拿大Global热电公司主要开
发中温平板型SOFC，用于分散供电、家庭热电联供等。目前该公司已经形成每年1 MW的
生产能力，并开始向市场提供5 kW辅助电源系统。法国、荷兰、英国、西班牙、丹麦等
国家均先后开展了SOFC的研究与开发工作。
DAFC近年来受到广泛的关注。由于采用甲醇、乙醇等液体燃料直接进料，无需重整装置
、结构简单、体积小、方便灵活，燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存，现已成
为国际上燃料电池研究与开发的热点之一。直接甲醇燃料电池(DMFC)的理论比能量密度
约为锂离子电池的10倍，在比能量密度方面与各种常规电池相比具有明显优势。在军用
移动电源，如国防通讯电源、单兵作战武器电源、车载武器电源、微型飞行器电源等，
在电子设备电源，如移动电话、笔记本电脑、照相机、摄像机电源等，在MEMS器件微电
源以及传感器件等方面均具有广阔的市场前景。DMFC的技术挑战目前主要有三方面，一
是常温下醇类燃料的电氧化速度较慢，电流密度较低；二是目前所用的贵金属电催化剂
不仅成本较高、资源有限，而且易被甲醇氧化产生的CO等中间产物毒化；三是电池工作
时甲醇从阳极到阴极的渗透率较高，直接影响电池的性能和使用寿命。
近年来燃料电池技术及其潜在的应用前景已得到了广泛的认可与赞同，由于各国政府及
民众对“绿色”能源的日益关注与迫切需求，燃料电池研究开发的投资强度越来越大，
为数众多的系统原型和示范样品不断问世，与20年前相比，现有的技术已接近预想中的
“成熟曲线”。燃料电池技术已被认为是21世纪最具竞争力的、洁净的、高效的发电技
术。当然，燃料电池的实际应用尚有诸多问题亟待解决，例如，PEMFC目前工业投资最
大并取得一系列重大技术突破，但其商业化道路上的障碍依然存在。例如，PEMFC电极
使用的均为铂基电催化剂，价格昂贵，资源有限，聚合物电解质膜、双极板等关键材料
的成本短时期内很难大幅度降低，氢气的制备、存储等仍有诸多技术障碍等。

[ Last edited by luo.henry on 2008-4-29 at 09:35 ]

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