“氢能战略下”燃料电池技术未来的发展方向

燃料电池的分类

随着我国经济的快速发展，环境污染问题也成为当前需要迫切解决的难题。氢能作为一种环保的、能量转换效率高和可替代能源载体而受到人们的广泛关注。

在当前的商业应用中，燃料电池是实现氢能规模普及的重要途径。燃料电池是一种把化学能直接转换成电能的化学装置，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。

图1. 燃料电池的工作原理示意图 [1]。

燃料电池可分为以下五种：质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、 碱性燃料电池 (AFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、磷酸盐型燃料电池 (PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。

目前应用最为广泛的燃料电池为质子交换膜燃料电池，它是一种将氢能转化为电能的发电机，由于其具有运行温度低和易于在便携式紧凑系统中制造的特点，因此，被认为是一种很有前途的候选电化学装置之一。 

尽管质子交换膜燃料电池技术不断的进步，其广泛的商业应用仍受其高昂的成本限制。碱性燃料电池是研究较早的一种燃料电池技术，其氧电极在碱性电解质的极化要比在酸性电解质的极化小得多，还可以用非贵重金属作为催化剂，结构材料价格比较低廉。

可以通过对氢燃料量的控制，实现对其发电量的控制。在各类燃料电池中，固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池由于其 工作温度高，可直接应用于大型发电厂。磷酸盐型燃料电池是以磷酸为电解质，其工作温度约为 200-250°C，主要应用于热电联产，电化学转换效率约为 55%。

图2. 燃料电池的分类及基本特性[2]。

燃料电池的关键组件

以质子交换膜燃料电池为例，一个典型的单体燃料电池是由具有微孔层(MPL)、催化剂层 (CL)和质子交换膜 (PEM)的气体扩散层 (GDL)所组成的膜电极(MEA)和双极板 (BPs)组成。 

燃料电池在工作过程中，除了产生所需的电能外电化学反应还会产生水和热能，这将影响燃料电池的运行状态。通过水热管理系统可以优化燃料电池的使用寿命，提升它的最佳运行状态。 

然而，膜电极是决定燃料电池性能的关键组件，为了提高质子交换膜燃料电池的功率密度，推进其更广泛的商业化应用，制备性能更高、耐久性更好、成本更低的膜电极具有重要意义。 

GDL是碳纸组成，在气体扩散、机械支撑和传导电子中起着重要的作用。在未来几年里，由于碳纸的高导电性、优异的机械强度和耐化学腐蚀性以及在制造成本方面的优势，将有望继续成为 GDLs 的不二选择 。 

目前，PEM应用最为广泛的是全氟磺酸 (PFSA)膜，该膜在低湿度条件下具有更高 的质子导电性和良好的电化学稳定性和机械稳定性。然而，为了进一步提高燃料电池的功率密度，通常是将质子交换膜减薄，在这个过程中，对质子交换膜的机械强度和电化学稳定性提出来更高的要求。

CL中催化剂的比活性或质量活性是决定其燃料电池的最大功率密度，目前，催化剂的主要设计方法是改善催化剂结构，例如将催化剂进行合金化和纳米化，使其形成核壳结构 、纳米框架、纳米线、纳米晶。 

另一个影响催化剂层 (CL)性能的因素是离聚物在催化层中的分布，它们的分布对离子电导率和 催化剂的利用率有显著影响。因此 ，开发稳定性高、保水性能优异和低溶胀的离聚物对制备耐久性和性能优良的 MEAs具有重要意义 。

图3. 质子交换膜燃料电池的组成结构 [3]

燃料电池的发展方向

燃料电池的技术难关主要有以下五个方面 ：

(1)由于铂资源稀缺，导致催化剂成本居高不下 

(2)质子交换膜的耐久性还需进一步改善 

(3)氢气的贮存和运输效率较低，安全性不足 

(4)加氢站的数量较少，成本较高 

(5)绿氢的制造成本较高等

因此， 燃料电池未来的发展应集中于寻找可替代的廉价高效的催化剂材料及提高电池的使用 寿命等方面同时，应该加强对氢气的储存及运输进行重点改善。