時(shí)間：2023-03-15 15:03:34
序論：在您撰寫(xiě)燃料電池技術(shù)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開(kāi)闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類(lèi)。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
PEMFC的基本工作過(guò)程如下：
（1）氫氣通過(guò)雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽(yáng)極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽(yáng)極側(cè)積累；
（3）氧氣通過(guò)雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽(yáng)極間形成一個(gè)電勢(shì)差；
（4）陽(yáng)極和陰極通過(guò)外電路連接起來(lái)，在陽(yáng)極積聚的電子就會(huì)通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成電流，對(duì)負(fù)載做功。同時(shí)，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；
（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對(duì)外提供電能。
2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
（1）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動(dòng)力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同動(dòng)力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計(jì)制造過(guò)程。
（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障，可自動(dòng)采取適當(dāng)屏蔽措施，只會(huì)使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的癱瘓。
（4）燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來(lái)源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對(duì)汽油、柴油、二甲醚等化石類(lèi)燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲(chǔ)方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
（5）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時(shí)，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí)，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。
3研究現(xiàn)狀
3.1關(guān)鍵部件
電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。
電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國(guó)杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開(kāi)始用于燃料電池，其商業(yè)型號(hào)為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國(guó)科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動(dòng)的流場(chǎng)，基本流場(chǎng)形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級(jí)顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類(lèi)型。
3.2測(cè)控系統(tǒng)
PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運(yùn)行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測(cè)各個(gè)影響因素。即運(yùn)用有效的措施來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)PEMFC運(yùn)行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒(méi)有制定出有關(guān)PEMFC測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，不過(guò)已有實(shí)用的測(cè)試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測(cè)試站（FCATS）、美國(guó)Arbin公司的集成燃料電池測(cè)試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。
4質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類(lèi)。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。因此世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車(chē)動(dòng)力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車(chē)公司，都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車(chē)，曾先后推出各種類(lèi)型的樣車(chē)，并進(jìn)行PEMFC電動(dòng)車(chē)隊(duì)的示范運(yùn)行。PEMFC電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認(rèn)為將是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
此外，在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴(lài)空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。
5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)
在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)非全氟的廉價(jià)質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來(lái)，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導(dǎo)率，但成本較高，加工難度大，強(qiáng)度、電導(dǎo)率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對(duì)電堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個(gè)活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。
參考文獻(xiàn)
［1］李興虎.電動(dòng)汽車(chē)概論［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005:9-22.
［2］黃敏.質(zhì)子交換膜燃料電池堆電氣性能試驗(yàn)研究［J］.電源技術(shù)，2007,31(5):361-363.
燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。按電解質(zhì)種類(lèi)可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類(lèi)燃料電池（DMFC），還有如新型儲(chǔ)能電池、固體聚合物型電池等。
氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進(jìn)行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國(guó)豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來(lái)源。
燃料電池具有高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低的誘人特點(diǎn)，它不僅是汽車(chē)最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、潛艇、水下機(jī)器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動(dòng)、分散電源和接近終端用戶(hù)的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場(chǎng)前景十分廣闊。人們預(yù)測(cè)，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四電方式[1]，它將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。
1，中國(guó)燃料電池技術(shù)的進(jìn)展
“燃料電池技術(shù)”是我國(guó)“九五”期間的重大發(fā)展項(xiàng)目，目標(biāo)是，利用我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，從高起點(diǎn)做起，加強(qiáng)創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國(guó)燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國(guó)際水平。內(nèi)容包括“質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)”及“固體氧化物燃料電池技術(shù)”三大項(xiàng)目[2]，其中，用于電動(dòng)汽車(chē)的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。此項(xiàng)任務(wù)由中國(guó)科學(xué)院及部門(mén)所屬若干研究所承擔(dān)。所定目標(biāo)業(yè)已全部實(shí)現(xiàn)。
在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國(guó)研究開(kāi)發(fā)的這類(lèi)電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車(chē)的技術(shù)水平，可以與世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)，而且在市場(chǎng)份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國(guó)自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目以后，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在全國(guó)范圍內(nèi)全面開(kāi)展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進(jìn)展，相繼組裝了多臺(tái)百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車(chē)已研制成功，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出200瓦電動(dòng)自行車(chē)用燃料電池系統(tǒng)。百瓦級(jí)移動(dòng)動(dòng)力源和5kW移動(dòng)通訊機(jī)站動(dòng)力源也已開(kāi)發(fā)成功。千瓦級(jí)電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源，已成功地進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。由6臺(tái)5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國(guó)首臺(tái)燃料電池輕型客車(chē)動(dòng)力源。裝車(chē)電池最大輸出功率達(dá)46千瓦。目前該車(chē)最高時(shí)速達(dá)60.6km/h，為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。該電池堆整體性能相當(dāng)于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車(chē)的水平[3]。我國(guó)目前正在進(jìn)行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開(kāi)發(fā)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成的研究。
在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國(guó)已經(jīng)研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細(xì)粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預(yù)測(cè)隔膜壽命超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)。在進(jìn)行材料部件研究的基礎(chǔ)上，成功組裝和運(yùn)行了千瓦級(jí)電池組。
在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)方面，已經(jīng)制備出厚度為5-10μm的負(fù)載型致密YSZ電解質(zhì)薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負(fù)載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.4W/cm2,負(fù)載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.8W/cm2。這些技術(shù)創(chuàng)新為研制千瓦級(jí)、十千瓦級(jí)中溫固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2，國(guó)外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛
燃料電池是新世紀(jì)最有前途的清潔能源，是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視。美國(guó)將燃料電池技術(shù)列為涉及國(guó)家安全的技術(shù)之一，《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車(chē)列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；日本政府認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計(jì)劃將燃料電池發(fā)展成國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來(lái)，國(guó)外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過(guò)100億美元。為開(kāi)發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來(lái)每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過(guò)50億日元[4]。
歐、美發(fā)達(dá)國(guó)家和日本等國(guó)政府和企業(yè)界都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，并且已取得了許多重要成果，PEMFC技術(shù)已發(fā)展到實(shí)用階段，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，用于國(guó)防、航天、汽車(chē)、醫(yī)院、工廠、居民區(qū)等方面；各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成，其中，國(guó)際燃料電池產(chǎn)業(yè)巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年2月正式投產(chǎn)。美國(guó)和歐洲將成批生產(chǎn)低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正快速進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段。
目前，車(chē)用氫燃料電池已成為世界各大汽車(chē)公司技術(shù)開(kāi)發(fā)的重中之重。迄今為止，世界6大汽車(chē)公司在開(kāi)發(fā)氫燃料電池車(chē)上的開(kāi)發(fā)費(fèi)用已超過(guò)100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車(chē)用燃料電池就達(dá)41種。
3，我國(guó)開(kāi)發(fā)燃料電池技術(shù)相對(duì)乏力
我國(guó)研究燃料電池有過(guò)起落。在20世紀(jì)60年代曾開(kāi)展過(guò)多種燃料電池的實(shí)驗(yàn)室研究，70年入大量人力物力開(kāi)展用于空間技術(shù)的燃料電池研究，其后研究工作長(zhǎng)期停頓。最近幾年，我國(guó)才開(kāi)始重新重視燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，并取得很大進(jìn)展。特別在PEMFC方面，達(dá)到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國(guó)燃料電池的研究開(kāi)發(fā)剛剛起步，仍處于科研階段，與國(guó)外相比，我國(guó)的燃料電池研究水平還較低，我國(guó)對(duì)燃料電池的組織開(kāi)發(fā)力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，開(kāi)發(fā)以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國(guó)在MCFC、SOFC研究方面與國(guó)外的差距很大，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有燃料電池發(fā)電站的應(yīng)用實(shí)例。這和我國(guó)這樣一個(gè)大國(guó)的地位很不相稱(chēng)。盡管?chē)?guó)家也將燃料電池技術(shù)列為"九五"攻關(guān)項(xiàng)目，國(guó)家和企業(yè)投入的資金卻極為有限，年度經(jīng)費(fèi)僅為千萬(wàn)元量級(jí)人民幣，與發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)億美元的投入相比顯得微不足道；承擔(dān)研究任務(wù)的也只是中科院等少數(shù)科研院所，且研究力量分散，缺少企業(yè)的介入，難以取得突破性進(jìn)展，尤其是難以將取得的研究成果進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，以形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。從表1所列國(guó)外燃料電池的研究和開(kāi)況看，歐、美國(guó)家和日本等大多是以公司企業(yè)為主在從事燃料電池的研究開(kāi)發(fā)和制造生產(chǎn)，而且規(guī)模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產(chǎn)就達(dá)10億美元。
4，大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢(shì)在必行
從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢(shì)頭看，本世紀(jì)頭十年將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。預(yù)計(jì)燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動(dòng)汽車(chē)、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，潛在市場(chǎng)十分巨大?？梢灶A(yù)料，分散電源供電系統(tǒng)——燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀(jì)內(nèi)取代以“大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應(yīng)用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的革命，促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)的形成，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。能源領(lǐng)域的這場(chǎng)革命是我國(guó)政府、企業(yè)、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對(duì)此必須有充分認(rèn)識(shí)并給予足夠的重視。我們應(yīng)該準(zhǔn)確把握這場(chǎng)革命所帶給我們的機(jī)遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財(cái)力，推動(dòng)燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作，使之早日實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)的國(guó)家能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。
國(guó)家計(jì)委在1997年提出的中國(guó)潔凈煤技術(shù)到2010年的發(fā)展綱要中，已把燃料電池列為煤炭工業(yè)潔凈煤的14項(xiàng)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一[6]。在“十五”科技發(fā)展規(guī)劃中，燃料電池技術(shù)被列為重點(diǎn)實(shí)施的重大項(xiàng)目[7]。
PAFC技術(shù)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀與動(dòng)向：
日本自實(shí)施月光計(jì)劃以來(lái)，作為國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，正在實(shí)施5000千瓦級(jí)加壓型和1000千瓦級(jí)常壓型電廠實(shí)證運(yùn)行。目前，磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進(jìn)去，綜合效率可高達(dá)60％～80％。
除日本外，目前世界約有60臺(tái)PAFC發(fā)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)，總輸出功率約為4.1萬(wàn)千瓦。按國(guó)別和地區(qū)劃分日本為2.9萬(wàn)千瓦，美國(guó)8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備除3臺(tái)(日本2臺(tái)，意大利1臺(tái))為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國(guó)，設(shè)備主要銷(xiāo)往歐、亞。
美國(guó)已完成基礎(chǔ)研究，200千瓦級(jí)電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國(guó)已引進(jìn)美國(guó)200千瓦級(jí)電廠用電池進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國(guó)也引進(jìn)日、美的電池進(jìn)行試運(yùn)行。
2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)
日本對(duì)MCFC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)始于1981年度的月光計(jì)劃，該計(jì)劃圍繞開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組這個(gè)目標(biāo)展開(kāi)了對(duì)MCFC燃料、電極等的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展順利，從1984年開(kāi)始，進(jìn)而對(duì)10千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。1986年，日立、東芝、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、IHI分別對(duì)5臺(tái)10千瓦級(jí)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，其結(jié)果是輸出功率為10千瓦，初期性能為電池電壓0.75伏，電流密度150毫安/平方厘米。
1987年起，日本在對(duì)1000千瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)(外部改質(zhì)型)進(jìn)行主要開(kāi)發(fā)的同時(shí)，對(duì)100千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組以及1000千瓦級(jí)機(jī)組的設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究也取得了進(jìn)展。1993年度，日立、IHI的2臺(tái)100千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組和三菱電機(jī)的1臺(tái)30千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組開(kāi)始試驗(yàn)發(fā)電運(yùn)行。其試驗(yàn)結(jié)果以及1994年度進(jìn)行的5-25千瓦級(jí)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果表明，電池電壓0.8伏，電流密度達(dá)15毫安/平方厘米，單位時(shí)間內(nèi)的劣化率小于1％。
在此基礎(chǔ)上，1994年度起開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)1000千瓦級(jí)試驗(yàn)工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發(fā)電所開(kāi)始建廠，確立了1000千瓦級(jí)實(shí)用化發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)工廠的基本系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的事業(yè)用燃料電池電廠的運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)劃1999年開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行，其目標(biāo)為：燃料利用率為80％，千小時(shí)電池的劣化率小于1％，初期性能為：電池電壓大于0.8伏，電流密度1500毫安/平方厘米，計(jì)劃試驗(yàn)運(yùn)行5000小時(shí)。
為使電池實(shí)用化，在上述研究開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了機(jī)組長(zhǎng)壽命化研究，計(jì)劃連續(xù)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4萬(wàn)小時(shí)，每千小時(shí)單位劣化率小于0.25％。除此之外，還在開(kāi)發(fā)200千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
美國(guó)能源部和美國(guó)電力研究所，正在積極開(kāi)發(fā)MCFC。美國(guó)ERC公司開(kāi)發(fā)的2兆瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)于1996年5月在圣克拉拉開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行。MC－power公司開(kāi)發(fā)的250千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，1997年2月起在圣迭戈開(kāi)始試運(yùn)行。
在歐洲，MCFC作為共同項(xiàng)目正在研究開(kāi)發(fā)，取得了一些進(jìn)展，其主要項(xiàng)目如下：
①高級(jí)DIC－MCFC發(fā)展計(jì)劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國(guó)參加研究，歐洲在市場(chǎng)分析、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組的開(kāi)發(fā)等方面取得進(jìn)展。
②ARGE項(xiàng)目(1990年起計(jì)劃10年內(nèi)完成)。德、丹麥參加，并在內(nèi)部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上取得進(jìn)展。
③MOLCARE。由意、西班牙參加，并在外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上取得進(jìn)展。
韓國(guó)從1993年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)MCFC，1997年以開(kāi)發(fā)100千瓦外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo)，開(kāi)始了第二階段研究開(kāi)發(fā)工作。
3.固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)
作為SOFC開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)離子學(xué)，其開(kāi)發(fā)歷史很長(zhǎng)，日、美、德等國(guó)已有30多年的開(kāi)發(fā)史。日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年起就開(kāi)始研究SOFC，1984年進(jìn)行了500瓦發(fā)電試驗(yàn)(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國(guó)西屋公司從1960年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)SOFC，1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開(kāi)發(fā)出3千瓦熱自立型電池模塊，在國(guó)內(nèi)外掀起了開(kāi)發(fā)SOFC的。
日本新陽(yáng)光計(jì)劃中，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)，為首，從1989年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù)，對(duì)數(shù)百千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。1992年起，富士電機(jī)綜合研究所和三洋電機(jī)在共同研究開(kāi)發(fā)數(shù)千瓦級(jí)平板型模塊基礎(chǔ)上，還組織了7個(gè)研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。
除此之外，三菱重工神戶(hù)造船所與中部電力合作，共同開(kāi)發(fā)平板型SOFC，1996年創(chuàng)造了5千瓦級(jí)模塊成功運(yùn)行的先例。同時(shí)，在圓筒橫縞型電池領(lǐng)域中，1995年三菱重工長(zhǎng)崎造船所在電源開(kāi)發(fā)共同研究中，采用圓筒橫縞型電池，開(kāi)發(fā)出10千瓦級(jí)模塊，成功地進(jìn)行了500小時(shí)試運(yùn)行，之后又于1996年開(kāi)發(fā)了2.5千瓦模塊，并試運(yùn)行1000小時(shí)。TOTO與九州電力共同開(kāi)發(fā)全濕式圓筒縱縞型電池，1996年起，開(kāi)始開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)模塊。同時(shí)，在日本以大學(xué)與國(guó)立研究所為首的許多研究機(jī)構(gòu)在積極開(kāi)發(fā)SOFC。
美國(guó)西屋公司在能源部的支持下，開(kāi)始開(kāi)發(fā)圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對(duì)25千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行的共同測(cè)試表明，截至1997年3月，已成功運(yùn)行了約1.3萬(wàn)小時(shí)，其間已經(jīng)過(guò)11次啟動(dòng)與停機(jī)，千小時(shí)單位電池的劣化率小于0.1％，可見(jiàn)其技術(shù)已非常成熟。西屋公司除計(jì)劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進(jìn)行100千瓦級(jí)模塊運(yùn)行外，為降低制造成本，還在研究開(kāi)發(fā)濕式電池制造技術(shù)。美國(guó)Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在開(kāi)發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展，目前正對(duì)1千瓦級(jí)模塊進(jìn)行試運(yùn)行。
在歐洲，德國(guó)西門(mén)子公司在開(kāi)發(fā)采用合金系列分離器的平板型SOFC，1995年開(kāi)發(fā)出10千瓦(利用氧化劑中的氧，若在空氣中則為5千瓦)模塊，1996年開(kāi)發(fā)出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。
奔馳汽車(chē)制造公司在開(kāi)發(fā)陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進(jìn)展，1996年對(duì)2.2千瓦模塊試運(yùn)行6000小時(shí)。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開(kāi)發(fā)家庭用SOFC，目前已開(kāi)發(fā)出1千瓦級(jí)模塊。今后，德國(guó)還計(jì)劃在特蒙德市進(jìn)行7千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
在此基礎(chǔ)研究上，以英、法、荷等國(guó)的大學(xué)和國(guó)立研究所為中心的研究機(jī)構(gòu)，正在積極研究開(kāi)發(fā)低溫型(小于800℃)SOFC材料。
4.固體高分子型燃料電池(PEFC)
日本開(kāi)發(fā)固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，開(kāi)發(fā)改質(zhì)器以及電極催化媒體的機(jī)構(gòu)有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開(kāi)發(fā)汽車(chē)燃料電池方面，豐田制造出甲醇改質(zhì)型燃料電池汽車(chē)(1997年)，同時(shí)三菱電機(jī)、馬自達(dá)也在著手開(kāi)發(fā)汽車(chē)燃料電池。
在供電及余熱供暖系統(tǒng)方面，PEFC排熱溫度較低，為70℃左右，在熱利用上有所限制，與其他類(lèi)型燃料電池相比，目前只開(kāi)發(fā)小型系統(tǒng)。東芝(30千瓦)、三洋電機(jī)(數(shù)千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機(jī)和關(guān)西電力(5千瓦)等公司在開(kāi)發(fā)以天然氣和甲醇為燃料的電池系統(tǒng)，同時(shí)，三洋電機(jī)在開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)氫燃料便攜式商品化電源，三菱重工在開(kāi)發(fā)特殊用途(無(wú)人潛水艇用)燃料電池。
PEFC主要作為汽車(chē)動(dòng)力電源在開(kāi)發(fā)。但在汽車(chē)上燃料的搭載方式各種各樣，有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長(zhǎng)短，目前還未能確定最適方式。
德國(guó)奔馳與加拿大BPS在進(jìn)行共同開(kāi)發(fā)，它們開(kāi)發(fā)的搭載氫燃料、小底盤(pán)汽車(chē)在試運(yùn)行。除此之外它們還共同開(kāi)發(fā)甲醇燃料電池汽車(chē)。若在降低成本、提高運(yùn)行性能等方面再取得一些進(jìn)展，電池汽車(chē)就有望走向市場(chǎng)。
美國(guó)克萊斯勒、通用、福特三公司協(xié)力合作，計(jì)劃到2000年開(kāi)發(fā)出輸出50千瓦、輸出密度1千瓦/公斤的燃料電池。另外，BMW、Rover和西門(mén)子三家公司也在開(kāi)展共同開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑
1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理
按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類(lèi)。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
PEMFC的基本工作過(guò)程如下：
（1）氫氣通過(guò)雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽(yáng)極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽(yáng)極側(cè)積累；
（3）氧氣通過(guò)雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽(yáng)極間形成一個(gè)電勢(shì)差；
（4）陽(yáng)極和陰極通過(guò)外電路連接起來(lái)，在陽(yáng)極積聚的電子就會(huì)通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成電流，對(duì)負(fù)載做功。同時(shí)，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；
（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對(duì)外提供電能。
2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
（1）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動(dòng)力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同動(dòng)力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計(jì)制造過(guò)程。
（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障，可自動(dòng)采取適當(dāng)屏蔽措施，只會(huì)使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的癱瘓。
（4）燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來(lái)源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對(duì)汽油、柴油、二甲醚等化石類(lèi)燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲(chǔ)方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
（5）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時(shí)，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí)，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。3研究現(xiàn)狀
3.1關(guān)鍵部件
電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。
電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國(guó)杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開(kāi)始用于燃料電池，其商業(yè)型號(hào)為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國(guó)科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動(dòng)的流場(chǎng)，基本流場(chǎng)形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級(jí)顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類(lèi)型。
3.2測(cè)控系統(tǒng)
PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運(yùn)行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測(cè)各個(gè)影響因素。即運(yùn)用有效的措施來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)PEMFC運(yùn)行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒(méi)有制定出有關(guān)PEMFC測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，不過(guò)已有實(shí)用的測(cè)試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測(cè)試站（FCATS）、美國(guó)Arbin公司的集成燃料電池測(cè)試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。
4質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類(lèi)。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。因此世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車(chē)動(dòng)力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車(chē)公司，都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車(chē)，曾先后推出各種類(lèi)型的樣車(chē)，并進(jìn)行PEMFC電動(dòng)車(chē)隊(duì)的示范運(yùn)行。PEMFC電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認(rèn)為將是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
此外，在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴(lài)空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。
5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)
在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)非全氟的廉價(jià)質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來(lái)，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導(dǎo)率，但成本較高，加工難度大，強(qiáng)度、電導(dǎo)率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對(duì)電堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個(gè)活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。
參考文獻(xiàn)
燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。按電解質(zhì)種類(lèi)可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類(lèi)燃料電池（DMFC），還有如新型儲(chǔ)能電池、固體聚合物型電池等。
氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進(jìn)行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國(guó)豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來(lái)源。
燃料電池具有高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低的誘人特點(diǎn)，它不僅是汽車(chē)最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、潛艇、水下機(jī)器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動(dòng)、分散電源和接近終端用戶(hù)的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場(chǎng)前景十分廣闊。人們預(yù)測(cè)，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四電方式[1]，它將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。
1，中國(guó)燃料電池技術(shù)的進(jìn)展
“燃料電池技術(shù)”是我國(guó)“九五”期間的重大發(fā)展項(xiàng)目，目標(biāo)是，利用我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，從高起點(diǎn)做起，加強(qiáng)創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國(guó)燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國(guó)際水平。內(nèi)容包括“質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)”及“固體氧化物燃料電池技術(shù)”三大項(xiàng)目[2]，其中，用于電動(dòng)汽車(chē)的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。此項(xiàng)任務(wù)由中國(guó)科學(xué)院及部門(mén)所屬若干研究所承擔(dān)。所定目標(biāo)業(yè)已全部實(shí)現(xiàn)。
在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國(guó)研究開(kāi)發(fā)的這類(lèi)電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車(chē)的技術(shù)水平，可以與世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)，而且在市場(chǎng)份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國(guó)自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目以后，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在全國(guó)范圍內(nèi)全面開(kāi)展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進(jìn)展，相繼組裝了多臺(tái)百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車(chē)已研制成功，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出200瓦電動(dòng)自行車(chē)用燃料電池系統(tǒng)。百瓦級(jí)移動(dòng)動(dòng)力源和5kW移動(dòng)通訊機(jī)站動(dòng)力源也已開(kāi)發(fā)成功。千瓦級(jí)電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源，已成功地進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。由6臺(tái)5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國(guó)首臺(tái)燃料電池輕型客車(chē)動(dòng)力源。裝車(chē)電池最大輸出功率達(dá)46千瓦。目前該車(chē)最高時(shí)速達(dá)60.6km/h，為燃料電池電動(dòng)汽車(chē)以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。該電池堆整體性能相當(dāng)于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車(chē)的水平[3]。我國(guó)目前正在進(jìn)行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開(kāi)發(fā)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成的研究。
在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國(guó)已經(jīng)研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細(xì)粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預(yù)測(cè)隔膜壽命超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)。在進(jìn)行材料部件研究的基礎(chǔ)上，成功組裝和運(yùn)行了千瓦級(jí)電池組。
在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)方面，已經(jīng)制備出厚度為5-10μm的負(fù)載型致密YSZ電解質(zhì)薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負(fù)載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.4W/cm2,負(fù)載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達(dá)到0.8W/cm2。這些技術(shù)創(chuàng)新為研制千瓦級(jí)、十千瓦級(jí)中溫固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2，國(guó)外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛
燃料電池是新世紀(jì)最有前途的清潔能源，是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視。美國(guó)將燃料電池技術(shù)列為涉及國(guó)家安全的技術(shù)之一，《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車(chē)列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；日本政府認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計(jì)劃將燃料電池發(fā)展成國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來(lái)，國(guó)外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過(guò)100億美元。為開(kāi)發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來(lái)每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過(guò)50億日元[4]。
歐、美發(fā)達(dá)國(guó)家和日本等國(guó)政府和企業(yè)界都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，并且已取得了許多重要成果，PEMFC技術(shù)已發(fā)展到實(shí)用階段，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，用于國(guó)防、航天、汽車(chē)、醫(yī)院、工廠、居民區(qū)等方面；各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成，其中，國(guó)際燃料電池產(chǎn)業(yè)巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年2月正式投產(chǎn)。美國(guó)和歐洲將成批生產(chǎn)低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正快速進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段。
目前，車(chē)用氫燃料電池已成為世界各大汽車(chē)公司技術(shù)開(kāi)發(fā)的重中之重。迄今為止，世界6大汽車(chē)公司在開(kāi)發(fā)氫燃料電池車(chē)上的開(kāi)發(fā)費(fèi)用已超過(guò)100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車(chē)用燃料電池就達(dá)41種。
3，我國(guó)開(kāi)發(fā)燃料電池技術(shù)相對(duì)乏力
我國(guó)研究燃料電池有過(guò)起落。在20世紀(jì)60年代曾開(kāi)展過(guò)多種燃料電池的實(shí)驗(yàn)室研究，70年入大量人力物力開(kāi)展用于空間技術(shù)的燃料電池研究，其后研究工作長(zhǎng)期停頓。最近幾年，我國(guó)才開(kāi)始重新重視燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，并取得很大進(jìn)展。特別在PEMFC方面，達(dá)到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國(guó)燃料電池的研究開(kāi)發(fā)剛剛起步，仍處于科研階段，與國(guó)外相比，我國(guó)的燃料電池研究水平還較低，我國(guó)對(duì)燃料電池的組織開(kāi)發(fā)力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，開(kāi)發(fā)以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國(guó)在MCFC、SOFC研究方面與國(guó)外的差距很大，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有燃料電池發(fā)電站的應(yīng)用實(shí)例。這和我國(guó)這樣一個(gè)大國(guó)的地位很不相稱(chēng)。盡管?chē)?guó)家也將燃料電池技術(shù)列為"九五"攻關(guān)項(xiàng)目，國(guó)家和企業(yè)投入的資金卻極為有限，年度經(jīng)費(fèi)僅為千萬(wàn)元量級(jí)人民幣，與發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)億美元的投入相比顯得微不足道；承擔(dān)研究任務(wù)的也只是中科院等少數(shù)科研院所，且研究力量分散，缺少企業(yè)的介入，難以取得突破性進(jìn)展，尤其是難以將取得的研究成果進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，以形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。從表1所列國(guó)外燃料電池的研究和開(kāi)況看，歐、美國(guó)家和日本等大多是以公司企業(yè)為主在從事燃料電池的研究開(kāi)發(fā)和制造生產(chǎn)，而且規(guī)模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產(chǎn)就達(dá)10億美元。
4，大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢(shì)在必行
從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢(shì)頭看，本世紀(jì)頭十年將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。預(yù)計(jì)燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動(dòng)汽車(chē)、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，潛在市場(chǎng)十分巨大。可以預(yù)料，分散電源供電系統(tǒng)——燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀(jì)內(nèi)取代以“大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應(yīng)用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的革命，促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)的形成，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。能源領(lǐng)域的這場(chǎng)革命是我國(guó)政府、企業(yè)、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對(duì)此必須有充分認(rèn)識(shí)并給予足夠的重視。我們應(yīng)該準(zhǔn)確把握這場(chǎng)革命所帶給我們的機(jī)遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財(cái)力，推動(dòng)燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作，使之早日實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)的國(guó)家能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。
國(guó)家計(jì)委在1997年提出的中國(guó)潔凈煤技術(shù)到2010年的發(fā)展綱要中，已把燃料電池列為煤炭工業(yè)潔凈煤的14項(xiàng)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一[6]。在“十五”科技發(fā)展規(guī)劃中，燃料電池技術(shù)被列為重點(diǎn)實(shí)施的重大項(xiàng)目[7]。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑
1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理
按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類(lèi)。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
PEMFC的基本工作過(guò)程如下：
（1）氫氣通過(guò)雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽(yáng)極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
（2）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽(yáng)極側(cè)積累；
（3）氧氣通過(guò)雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽(yáng)極間形成一個(gè)電勢(shì)差；
（4）陽(yáng)極和陰極通過(guò)外電路連接起來(lái)，在陽(yáng)極積聚的電子就會(huì)通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成電流，對(duì)負(fù)載做功。同時(shí)，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；
（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對(duì)外提供電能。
2質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
（1）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動(dòng)力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同動(dòng)力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計(jì)制造過(guò)程。
（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障，可自動(dòng)采取適當(dāng)屏蔽措施，只會(huì)使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的癱瘓。
（4）燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來(lái)源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對(duì)汽油、柴油、二甲醚等化石類(lèi)燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲(chǔ)方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
（5）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時(shí)，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí)，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。3研究現(xiàn)狀
3.1關(guān)鍵部件
電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。
電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國(guó)杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開(kāi)始用于燃料電池，其商業(yè)型號(hào)為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國(guó)科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動(dòng)的流場(chǎng)，基本流場(chǎng)形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級(jí)顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類(lèi)型。
3.2測(cè)控系統(tǒng)
PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運(yùn)行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測(cè)各個(gè)影響因素。即運(yùn)用有效的措施來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)PEMFC運(yùn)行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒(méi)有制定出有關(guān)PEMFC測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，不過(guò)已有實(shí)用的測(cè)試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測(cè)試站（FCATS）、美國(guó)Arbin公司的集成燃料電池測(cè)試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。
4質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類(lèi)。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。因此世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車(chē)動(dòng)力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車(chē)公司，都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車(chē)，曾先后推出各種類(lèi)型的樣車(chē)，并進(jìn)行PEMFC電動(dòng)車(chē)隊(duì)的示范運(yùn)行。PEMFC電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認(rèn)為將是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
此外，在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴(lài)空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。
5質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)
在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)非全氟的廉價(jià)質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來(lái)，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導(dǎo)率，但成本較高，加工難度大，強(qiáng)度、電導(dǎo)率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對(duì)電堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個(gè)活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。
參考文獻(xiàn)
PAFC技術(shù)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀與動(dòng)向：
日本自實(shí)施月光計(jì)劃以來(lái)，作為國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，正在實(shí)施5000千瓦級(jí)加壓型和1000千瓦級(jí)常壓型電廠實(shí)證運(yùn)行。目前，磷酸型燃料電池的發(fā)電效率為30％～40％，如果將熱利用考慮進(jìn)去，綜合效率可高達(dá)60％～80％。
除日本外，目前世界約有60臺(tái)PAFC發(fā)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)，總輸出功率約為4.1萬(wàn)千瓦。按國(guó)別和地區(qū)劃分日本為2.9萬(wàn)千瓦，美國(guó)8000千瓦，歐洲3000千瓦，亞洲900千瓦。運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)電設(shè)備除3臺(tái)(日本2臺(tái)，意大利1臺(tái))為加壓型外，其他均為常壓型。磷酸型燃料電池的制造廠家目前主要為日本和美國(guó)，設(shè)備主要銷(xiāo)往歐、亞。
美國(guó)已完成基礎(chǔ)研究，200千瓦級(jí)電廠用電池近期有望商品化，但大容量電廠用電池處于停滯狀態(tài)。德國(guó)已引進(jìn)美國(guó)200千瓦級(jí)電廠用電池進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。另外，瑞典、意大利、瑞士等國(guó)也引進(jìn)日、美的電池進(jìn)行試運(yùn)行。
2.熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)
日本對(duì)MCFC發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)始于1981年度的月光計(jì)劃，該計(jì)劃圍繞開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組這個(gè)目標(biāo)展開(kāi)了對(duì)MCFC燃料、電極等的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展順利，從1984年開(kāi)始，進(jìn)而對(duì)10千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。1986年，日立、東芝、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、IHI分別對(duì)5臺(tái)10千瓦級(jí)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，其結(jié)果是輸出功率為10千瓦，初期性能為電池電壓0.75伏，電流密度150毫安/平方厘米。
1987年起，日本在對(duì)1000千瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)電場(chǎng)(外部改質(zhì)型)進(jìn)行主要開(kāi)發(fā)的同時(shí)，對(duì)100千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組以及1000千瓦級(jí)機(jī)組的設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究也取得了進(jìn)展。1993年度，日立、IHI的2臺(tái)100千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組和三菱電機(jī)的1臺(tái)30千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組開(kāi)始試驗(yàn)發(fā)電運(yùn)行。其試驗(yàn)結(jié)果以及1994年度進(jìn)行的5-25千瓦級(jí)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果表明，電池電壓0.8伏，電流密度達(dá)15毫安/平方厘米，單位時(shí)間內(nèi)的劣化率小于1％。
在此基礎(chǔ)上，1994年度起開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)1000千瓦級(jí)試驗(yàn)工廠。1995年10月在中部電力(株)川越發(fā)電所開(kāi)始建廠，確立了1000千瓦級(jí)實(shí)用化發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)工廠的基本系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的事業(yè)用燃料電池電廠的運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)劃1999年開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行，其目標(biāo)為：燃料利用率為80％，千小時(shí)電池的劣化率小于1％，初期性能為：電池電壓大于0.8伏，電流密度1500毫安/平方厘米，計(jì)劃試驗(yàn)運(yùn)行5000小時(shí)。
為使電池實(shí)用化，在上述研究開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了機(jī)組長(zhǎng)壽命化研究，計(jì)劃連續(xù)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行4萬(wàn)小時(shí)，每千小時(shí)單位劣化率小于0.25％。除此之外，還在開(kāi)發(fā)200千瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。
美國(guó)能源部和美國(guó)電力研究所，正在積極開(kāi)發(fā)MCFC。美國(guó)ERC公司開(kāi)發(fā)的2兆瓦級(jí)內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)于1996年5月在圣克拉拉開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行。MC－power公司開(kāi)發(fā)的250千瓦級(jí)外部改質(zhì)型機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，1997年2月起在圣迭戈開(kāi)始試運(yùn)行。
在歐洲，MCFC作為共同項(xiàng)目正在研究開(kāi)發(fā)，取得了一些進(jìn)展，其主要項(xiàng)目如下：
①高級(jí)DIC－MCFC發(fā)展計(jì)劃(1996-1998年)。荷蘭、英、法、瑞典等國(guó)參加研究，歐洲在市場(chǎng)分析、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及內(nèi)部改質(zhì)型機(jī)組的開(kāi)發(fā)等方面取得進(jìn)展。
②ARGE項(xiàng)目(1990年起計(jì)劃10年內(nèi)完成)。德、丹麥參加，并在內(nèi)部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上取得進(jìn)展。
③MOLCARE。由意、西班牙參加，并在外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上取得進(jìn)展。
韓國(guó)從1993年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)MCFC，1997年以開(kāi)發(fā)100千瓦外部改質(zhì)型發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo)，開(kāi)始了第二階段研究開(kāi)發(fā)工作。
3.固體電解質(zhì)型燃料電池(SOFC)
作為SOFC開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)離子學(xué)，其開(kāi)發(fā)歷史很長(zhǎng)，日、美、德等國(guó)已有30多年的開(kāi)發(fā)史。日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所從1974年起就開(kāi)始研究SOFC，1984年進(jìn)行了500瓦發(fā)電試驗(yàn)(最大輸出功率為1.2千瓦)。美國(guó)西屋公司從1960年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)SOFC，1987年該公司與日本東京煤氣、大阪煤氣共同開(kāi)發(fā)出3千瓦熱自立型電池模塊，在國(guó)內(nèi)外掀起了開(kāi)發(fā)SOFC的。
日本新陽(yáng)光計(jì)劃中，以產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)，為首，從1989年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)制造技術(shù)，對(duì)數(shù)百千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)試。1992年起，富士電機(jī)綜合研究所和三洋電機(jī)在共同研究開(kāi)發(fā)數(shù)千瓦級(jí)平板型模塊基礎(chǔ)上，還組織了7個(gè)研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的SOFC材料及其基礎(chǔ)技術(shù)。
除此之外，三菱重工神戶(hù)造船所與中部電力合作，共同開(kāi)發(fā)平板型SOFC，1996年創(chuàng)造了5千瓦級(jí)模塊成功運(yùn)行的先例。同時(shí)，在圓筒橫縞型電池領(lǐng)域中，1995年三菱重工長(zhǎng)崎造船所在電源開(kāi)發(fā)共同研究中，采用圓筒橫縞型電池，開(kāi)發(fā)出10千瓦級(jí)模塊，成功地進(jìn)行了500小時(shí)試運(yùn)行，之后又于1996年開(kāi)發(fā)了2.5千瓦模塊，并試運(yùn)行1000小時(shí)。TOTO與九州電力共同開(kāi)發(fā)全濕式圓筒縱縞型電池，1996年起，開(kāi)始開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)模塊。同時(shí)，在日本以大學(xué)與國(guó)立研究所為首的許多研究機(jī)構(gòu)在積極開(kāi)發(fā)SOFC。
美國(guó)西屋公司在能源部的支持下，開(kāi)始開(kāi)發(fā)圓筒縱縞型電池。東京煤氣和大阪煤氣對(duì)25千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)進(jìn)行的共同測(cè)試表明，截至1997年3月，已成功運(yùn)行了約1.3萬(wàn)小時(shí)，其間已經(jīng)過(guò)11次啟動(dòng)與停機(jī)，千小時(shí)單位電池的劣化率小于0.1％，可見(jiàn)其技術(shù)已非常成熟。西屋公司除計(jì)劃在1998年與荷蘭、丹麥共同進(jìn)行100千瓦級(jí)模塊運(yùn)行外，為降低制造成本，還在研究開(kāi)發(fā)濕式電池制造技術(shù)。美國(guó)Allied－signal、SOFCo、Z－tek等公司在開(kāi)發(fā)平板型SOFC上取得進(jìn)展，目前正對(duì)1千瓦級(jí)模塊進(jìn)行試運(yùn)行。
在歐洲，德國(guó)西門(mén)子公司在開(kāi)發(fā)采用合金系列分離器的平板型SOFC，1995年開(kāi)發(fā)出10千瓦(利用氧化劑中的氧，若在空氣中則為5千瓦)模塊，1996年開(kāi)發(fā)出7.2千瓦模塊(利用氧化劑中的空氣)。
奔馳汽車(chē)制造公司在開(kāi)發(fā)陶瓷系列分離器式平板型SOFC上取得進(jìn)展，1996年對(duì)2.2千瓦模塊試運(yùn)行6000小時(shí)。瑞士的薩爾澤爾公司在積極開(kāi)發(fā)家庭用SOFC，目前已開(kāi)發(fā)出1千瓦級(jí)模塊。今后，德國(guó)還計(jì)劃在特蒙德市進(jìn)行7千瓦級(jí)發(fā)電及余熱供暖系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
在此基礎(chǔ)研究上，以英、法、荷等國(guó)的大學(xué)和國(guó)立研究所為中心的研究機(jī)構(gòu)，正在積極研究開(kāi)發(fā)低溫型(小于800℃)SOFC材料。
4.固體高分子型燃料電池(PEFC)
日本開(kāi)發(fā)固體高分子膜的單位有旭化成、旭哨子、Japangore－tex等，開(kāi)發(fā)改質(zhì)器以及電極催化媒體的機(jī)構(gòu)有田中貴金屬、大阪煤氣等。在開(kāi)發(fā)汽車(chē)燃料電池方面，豐田制造出甲醇改質(zhì)型燃料電池汽車(chē)(1997年)，同時(shí)三菱電機(jī)、馬自達(dá)也在著手開(kāi)發(fā)汽車(chē)燃料電池。
在供電及余熱供暖系統(tǒng)方面，PEFC排熱溫度較低，為70℃左右，在熱利用上有所限制，與其他類(lèi)型燃料電池相比，目前只開(kāi)發(fā)小型系統(tǒng)。東芝(30千瓦)、三洋電機(jī)(數(shù)千瓦)、三菱重工和東京煤氣(5千瓦)、富士電機(jī)和關(guān)西電力(5千瓦)等公司在開(kāi)發(fā)以天然氣和甲醇為燃料的電池系統(tǒng)，同時(shí)，三洋電機(jī)在開(kāi)發(fā)1千瓦級(jí)氫燃料便攜式商品化電源，三菱重工在開(kāi)發(fā)特殊用途(無(wú)人潛水艇用)燃料電池。
PEFC主要作為汽車(chē)動(dòng)力電源在開(kāi)發(fā)。但在汽車(chē)上燃料的搭載方式各種各樣，有高壓氫、液化氫和甲醇等。這些燃料各具長(zhǎng)短，目前還未能確定最適方式。
德國(guó)奔馳與加拿大BPS在進(jìn)行共同開(kāi)發(fā)，它們開(kāi)發(fā)的搭載氫燃料、小底盤(pán)汽車(chē)在試運(yùn)行。除此之外它們還共同開(kāi)發(fā)甲醇燃料電池汽車(chē)。若在降低成本、提高運(yùn)行性能等方面再取得一些進(jìn)展，電池汽車(chē)就有望走向市場(chǎng)。
美國(guó)克萊斯勒、通用、福特三公司協(xié)力合作，計(jì)劃到2000年開(kāi)發(fā)出輸出50千瓦、輸出密度1千瓦/公斤的燃料電池。另外，BMW、Rover和西門(mén)子三家公司也在開(kāi)展共同開(kāi)發(fā)。
