朱梅1，徐獻芝1，蘇潤2

(1.中國科學技術大學力學和機械工程系，2.中國科學院智能所)

燃料電池是一種高效的發電裝置，有利于解決人類節能與環保兩大難題。本文對燃料電池的研究現狀進行了分析，論述了燃料電池的研究方向，并提出在燃料電池的研究中引入力學方法進行研究。

隨著自然資源的日益缺乏和人們環保意識的提高，當今燃料電池的研制得到了更多的重視和快速發展。燃料電池是一種直接將化學能高效、環境友好地轉變為電能的電化學器件，理論轉化率可達90%，是一種綠色能源，可同時解決節能和環保兩大世界難題，因此西方各個國家諸如日本，美國及歐洲等都有燃料電池方面的研究和開發計劃，我國也在加快燃料電池的研究進程。

燃料電池發展到今天已經有近200年的歷史，其中真正得到世界的廣泛關注是在20世紀50年代，距離今天也不過50年左右，但是燃料電池的技術發展卻是突飛猛進的。

一、燃料電池的研究現狀

1堿性燃料電池(AFC)

這種電池用35%~45%KOH為電解液，滲透于多孔而惰性的基質隔膜材料中，工作溫度小于100e。該種電池的優點是氧在堿液中的電化學反應速度比在酸性液中大，因此有較大的電流密度和輸出功率。但氧化劑應為純氧，電池中貴金屬催化劑用量較大，而利用率不高。目前，此類燃料電池技術的發展已非常成熟，并已經在航天飛行及特種中成功應用。國內已研制出200W氨-空氣的堿性燃料電池系統，制成了1kW、10kW、20kW的堿性燃料電池，20世紀90年代后期在跟蹤開發中取得了非常有價值的成果。

發展堿性燃料電池的核心技術是要避免二氧化碳對堿性電解液成分的破壞，不論是空氣中百萬分之幾的二氧化碳成分還是烴類的重整氣使用時所含有的二氧化碳，都要進行去除處理，這無疑增加了系統的總體造價。此外，電池進行電化學反應生成的水需及時排出，以維持水平衡。因此，簡化排水系統和控制系統也是堿性燃料電池發展中需要解決的核心技術。

2磷酸型燃料電池(PAFC)

這種電池采用磷酸為電解質，工作溫度200e左右。其突出優點是貴金屬催化劑用量比堿性氫氧化物燃料電池大大減少，還原劑的純度要求有較大降低，一氧化碳含量可允許達5%。該類電池一般以有機碳氫化合物為燃料，正負電極用聚四氟乙烯制成的多孔電極，電極上涂Pt作催化劑，電解質為85%的H3PO4。在100~200e范圍內性能穩定，導電性強。磷酸電池較其他燃料電池制作成本低，已接近可供民用的程度。目前，國際上功率較大的實用燃料電池電力站均用這種燃料的電池。美國將磷酸型燃料電池列為國家級重點科研項目進行研究開發，向全世界出售200kW級的磷酸型燃料電池，日本制造出了世界上最大的(11MW)磷酸型燃料電池。

到2002年初，美國已在全世界安裝測試了200kWPAFC發電裝置235套，累計發電470萬小時。2001年賣出23套。

在美國和日本，有幾套裝置已達到連續發電1萬小時的設計目標。歐洲現有5套200kWPAFC發電裝置在運轉。

日本福日電器和三菱電器已經開發出500kWPAFC發電系統。我國魏子棟等人進行Pt3(Fe/Co)/C氧還原電催化劑的研究，并提出了Fe/Co對Pt的錨定效應。磷酸型燃料電池發電技術目前已得到高速發展，但是其啟動時間較長以及余熱利用價值低等發展障礙導致其發展速度減緩。

3熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

這種電池用兩種或多種碳酸鹽的低融混合物為電解質，如用堿-碳酸鹽低溫共融體滲透進多孔性基質，電極為鎳粉燒制而成，陰極粉末中含多種過渡金屬元素作穩定劑，主要是在美國、日本和西歐研究和利用較多。

2~5MW外公用管道型熔融碳酸鹽燃料電池已經問世，在解決MCFC的性能衰減和電解質遷移方面已取得突破。美國燃料電池能源公司目前正在實驗室測試263kWMCFC發電裝置。意大利Ansaldo公司與西班牙Spanishcomp。s合作開發100kWMCFC發電裝置和500kWMCFC發電裝置。日本日立公司2000年開發出1MMCFC發電裝置。三菱公司2000年開發出200kWMCFC發電裝置。

東芝開發出低成本的10kWMCFC發電裝置。我國已將MCFC正式列入國家九五攻關計劃，已研制出1~5kW的熔融碳酸鹽燃料電池。MCFC中陰極、陽極、電解質隔膜和雙極板是基礎研究的4大難點，這4大部件的集成和對電解質的管理是MCFC電池組及電站模塊的安裝和運轉的技術核心。

4固體氧化物燃料電池(SOFC)

電池中的電解質是復合氧化物，在高溫(1000e以下)時，有很強的離子導電功能。它是由于鈣、鐿或釔等混入離子價態低于鋯離子的價態，使有些氧負離子晶格位空出來而導電。目前世界各國都在研制這類電池，并已有實質性的進展，但存在缺點：制造成本較高；溫度太高；電介質易裂縫；電阻較大。目前已開發了管式、平板式和瓦楞式等多種結構形成的固體氧化物燃料電池，這種燃料電池被稱為第三代燃料電池。美國和日本多家公司正在開發10kW平面輪機SOFC發電裝置。

德國西門子-西屋電器公司正在測試100kWSOFC管狀工作堆，美國在測試25kWSOFC工作堆。國內大都處于SOFC的基礎研究階段。SOFC在高溫下工作也給其帶來一系列材料，密封和結構上的問題，如電極的燒結，電解質與電極之間的界面化學擴散以及熱膨脹系數不同的材料之間的匹配和雙極板材料的穩定性等。這些也在一定程度上制約著SOFC的發展，成為其技術突破的關鍵方面。

5質子交換膜燃料電池(PEMFC)

是繼AFC、PAFC、MCFC、SOFC之后正在迅速發展起來的溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應用最廣的第五代燃料電池，它是為航天和特種電源而開發的。在美國5時代周刊6的社會調查結果中被列為21世紀十大科技新技術之首。國內研制具有代表性的是利用AFC技術積累全面開展PEMFC研究；在以聚苯乙烯磺酸膜為電解質的PEMFC、Pt/C電催化劑制備、表征和解析方面也進行了廣泛的工作。美國多家公司、日本、三洋、三菱等公司也已研究開發出便攜式PEMFC發電堆。加拿大電力系統公司與日本的EBARA公司合作研究開發250kWPEMFC發電設備和1kWPEMFC便攜式發電系統。德國在柏林建造了一個250kWPEMFC的實驗堆。質子交換膜燃料電池的核心技術是電極-膜-電極三合一組件的制備技術。為了向氣體擴散，電極內加入質子導體，并改善電極與膜的接觸，采用熱壓的方法將電極、膜、電極壓合在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，其中，質子交換膜的技術參數直接影響著三合一組件的性能，因而關系到整個電池及電池組的運行效率。PEMFC的價格也制約著其商業化進程，因此，改進其必要組件性能，降低運行成本，是發展PEMFC的重要方向。

二、燃料電池的研究方向

上述5種燃料電池各有其特點，因為每種電池的工作機制不同，因此各自存在著發展障礙、技術難點和發展方向，但是作為燃料電池的成員，它們又有著共性，為此，結合各類型電池的特點，總結了燃料電池的研究與開發所應集中展開的5個方面。

1電解質膜

電解質膜之所以重要，是因為它只允許質子(H+)通過，而不應該允許未分解的燃料滲透過去。因此，對電解質膜的研究就包括提高電解質膜的質子傳導率，盡量減小氣體等其他燃料滲入量，增強氧化、還原和水解的穩定性，提高機械強度和熱穩定性，改善表面性質以適于與催化劑結合等。此外，還要降低成本，提高性價比。

2電極

因燃料電池電極大多為氣體電極過程，必須用特殊的電極結構-多孔的氣體擴散電極，以提高電池的比功率。這種電極要求其中有薄液膜，要能保證大量氣體容易到達而又與整體溶液較好連通，有足夠的氣孔使反應氣體容易傳遞到電極內部各處，又有大量覆蓋在催化劑表面上的薄液膜。這些薄液膜還必須通過液孔與電極外側的溶液通暢地連通，以利于液相反應粒子(包括產物)遷移。

因此，對多孔氣體擴散電極的研究，即是如何使電極在反應中形成穩定的三相界面，實現穩定高效放電。針對目前多孔電極的研究，作者提出用力學方法對三相界面的形態進行研究。眾所周知，三相界面是電池反應面。相對大的、穩定的三相界面是放電效率高的保證。

為此，我們應著力從力學角度研究多孔電極三相界面的形成形態。飽和度分布是電極反應中一個重要的力學參數，通過對電極表面飽和度分布的研究可以確定三相界面的具體位置，以及沿電極不同位置反應界面的變化情況，從而可以在實驗設計階段向有利于形成三相界面的方向靠攏。制作出放電效率高的氣體擴散電極。

我們應用滲流力學原理提出一種新的氣體電極——呼吸式氣體擴散電極，這種氣體電極是通過氣液驅替實現電極反應的動態過程，有利于三相界面生成，并且促進反應物的補充和生成物的排除，使電極在高電流密度下工作，提高電池單位體積的輸出功率。此外，我們根據力學原理，從改善電極在反應中的一些力學特性，諸如飽和度、孔隙率、機械強度等方面提出的折疊式氣體擴散電極與片狀氣體擴散電極，將其應用于鋅-空氣半燃料電池，可以取得較好的實驗結果。在燃料電池的研究中引入力學方法必將開辟一條燃料電池研究的有效解決問題的途徑。

3燃料

對燃料的研究主要是燃料選擇的問題。目前，在燃料電池應用中，主要使用H2和CH3OH。日本工學院工程部曾提出以BH4為燃料，以吸附氫的合金為電極，同時也作為氫的催化劑和還原劑。對替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發展更加具有可持續性。

4系統結構

系統結構是燃料電池的最終結果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統結構的發展受到限制。如何對燃料電池進行高密度裝配，實現在便攜式電子設備中應用燃料電池，成為研究方向之一。

5電催化劑

一個燃料電池系統，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態燃料和氧化劑在電極過程中的反應活性，即研究和發展高效催化劑。目前，利用其他價格低廉的、有效的催化劑替換貴金屬催化劑成為催化劑研究的方向之一。

三、前景展望

對燃料電池的開發研究以及商業化，是解決世界節能和環保的重要手段。燃料電池的先進性和實用性已經得到世界的公認，我國也在加大對燃料電池的開發、研究與利用力度。盡管燃料電池還存在一些問題，比如電極材料、制造成本、催化劑等等問題，但是瑕不掩瑜，加快燃料電池發展必然是世界發展的總趨勢。在發展燃料電池過程中，應該根據各種不同燃料電池各自的優缺點和發展障礙，有針對性地展開適宜的研究，使各種燃料電池都能發揮應有的作用。隨著燃料電池技術的進一步深化，必將能夠加快我國經濟建設與可持續化發展步伐。