燃料電池研究

 

燃料電池的發(fā)展

 

燃料電池是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電廠。它的產(chǎn)生和發(fā)展基于電化學(xué)、電催化、電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)過(guò)程和自動(dòng)化。自1839年格羅夫發(fā)表世界上第一份關(guān)于燃料電池的報(bào)告以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了160多年。從技術(shù)角度看，我們認(rèn)識(shí)到新概念的出現(xiàn)、發(fā)展和完善是燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵。例如，燃料電池以氣體作為氧化劑和燃料，但氣體在液體電解質(zhì)中的溶解度很小，導(dǎo)致電池的工作電流密度很低。因此，提出了多孔氣體擴(kuò)散電極和電化學(xué)反應(yīng)三相界面的概念。多孔氣體擴(kuò)散電極的出現(xiàn)為燃料電池的實(shí)際應(yīng)用提供了必要的條件。為穩(wěn)定三相界面，采用雙孔結(jié)構(gòu)電極，在電極上加入具有疏水性的材料，如聚四氟乙烯，制備成鍵合疏水電極。為燃料電池固態(tài)電解質(zhì)膜,如質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池,為了建立一個(gè)三相電極接口,離子交換樹(shù)脂或固體氧化物電解質(zhì)材料混合到electrocatalyst實(shí)現(xiàn)三維電極。

 

材料科學(xué)是燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。一種性能優(yōu)良的新材料的發(fā)現(xiàn)及其在燃料電池中的應(yīng)用將推動(dòng)燃料電池的快速發(fā)展。例如，石棉薄膜的發(fā)展及其在堿性電池中的成功應(yīng)用，保證了石棉薄膜堿性氫氧燃料電池在航天飛機(jī)上的成功應(yīng)用。熔融碳酸鹽中穩(wěn)定偏鋁酸鋰分離器的研制，加速了熔融碳酸鹽燃料電池兆瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)電站的建設(shè)。隨著氧化釔穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)分離器的發(fā)展，固體氧化物燃料電池成為未來(lái)燃料電池彌散電站的研究熱點(diǎn)。全氟磺酸質(zhì)子交換膜的出現(xiàn)促進(jìn)了質(zhì)子交換膜燃料電池研究的復(fù)興和迅速發(fā)展。

 

20世紀(jì)60年代以前，由于水力發(fā)電、火力發(fā)電和化學(xué)電池的迅速發(fā)展和進(jìn)步，燃料電池已經(jīng)處于理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究階段，主要是關(guān)于概念、材料和原理。燃料電池的突破主要是科學(xué)家的工作。20世紀(jì)60年代，由于載人飛船對(duì)大功率、高比功率和高比能量電池的迫切需求，燃料電池引起了一些國(guó)家和軍事部門的高度重視。正是在這樣的背景下，美國(guó)引進(jìn)了培根技術(shù)，成功的阿波羅飛船上的主要?jiǎng)恿υ?mdash;—培根型中溫氫氧燃料電池。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)地球，造福子孫后代，人類越來(lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。基于質(zhì)子交換膜燃料電池的快速發(fā)展，以其為動(dòng)力的各種電動(dòng)汽車已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，除了成本高之外，其性能可以與柴油機(jī)車相媲美。因此，燃料電池電動(dòng)車成為美國(guó)政府和大型汽車公司關(guān)注和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

 

從投資的角度來(lái)看，之前燃料電池投資的發(fā)展主要依賴于政府，而現(xiàn)在公司已經(jīng)成為燃料電池的發(fā)展，尤其是燃料電池電動(dòng)車的投資主體。世界上所有的主要汽車公司和石油公司都參與了燃料電池汽車的開(kāi)發(fā)。在短短幾年的時(shí)間里，已投入約80億美元開(kāi)發(fā)了41種燃油電動(dòng)汽車，其中包括24種客車、9種城際巴士和3種輕型卡車。今年，美國(guó)宣布了一項(xiàng)25億美元的燃料電池汽車發(fā)展計(jì)劃，其中15億美元來(lái)自州政府，10億美元來(lái)自三大汽車巨頭。