1.1.2 燃料電池的發展歷程

燃料電池（Fuel Cell，FC）是氫能利用過程中的一種非常重要的電化學反應裝置，其基本工作原理是通過電化學反應將燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，被認為是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第4種發電技術，曾被美國《時代》雜志列為21世紀改變人類生活的十大新科技。燃料電池的能量轉化過程與目前廣泛應用的熱機（如內燃機）有本質區別。傳統熱機是將反應物中的化學能首先通過燃燒等化學反應轉化為熱能，然后再轉化為機械能，熱機最大能量轉化效率受卡諾循環限制。而燃料電池能量轉化過程不受卡諾循環限制，其實際工作效率通常可達50%以上，一般要高于傳統熱機。雖被稱為“電池”，但燃料電池與鉛酸電池和鋰電池等二次電池顯著不同，后者是能量存儲裝置，反應物（燃料和氧化劑）存儲在電池內部，其所提供的最大能量和一次供電時間取決于其存儲的反應物量，而燃料電池是一種發電裝置，燃料和氧化劑由外部進行供給，如果能持續供給燃料和氧化劑且持續排出生成物，理論上燃料電池就可持續發電，但是在實際應用過程中可靠性和壽命等因素會限制燃料電池的實際工作時間。

燃料電池技術至今已有180余年發展歷史。1839年，英國法官和科學家威廉·羅伯特·格羅夫爵士（William Robert Grove）第一次對燃料電池原理進行了準確闡釋，他用鉑作為電極，硫酸溶液作為電解質，氫氣和氧氣作為反應物，展示了現代意義上的第一個燃料電池。他本人將其稱為“氣態伏特電池”。1889年，英國化學家蒙德（Ludwig Mond）和蘭格（Charles Langer）以鉑黑為催化劑，以打孔的鉑為電極，同時和浸潤了硫酸溶液的吸附材料層壓在一起組裝出燃料電池，工作電流密度為3.5mA/cm2時的輸出電壓為0.73V，這與現代燃料電池已經非常接近，同時，這也是“燃料電池（Fuel Cell）”這個名字首次出現。1959年，英國劍橋大學的培根（Francis T. Bacon）教授建造了第一臺實用的5kW燃料電池，可為焊接機提供動力，這也是燃料電池首次得到實際應用，同年阿里斯-查莫斯制造有限公司（Allis-Chalmers Manufacturing Co.）也推出了世界上第一輛以燃料電池為動力的農用拖拉機，該燃料電池由1008片單電池組成，功率達到了15kW。20世紀60年代，燃料電池在美國“雙子星座”宇宙飛船和阿波羅登月飛船上作為輔助電源得到成功應用，這也是燃料電池技術首次應用于航空領域，其中“雙子星座”宇宙飛船上應用的燃料電池系統功率為1kW，鉑載量為35mg/cm2，工作電流密度在0.78V電壓下達到了37mA/cm2。由于鉑屬于貴金屬，成本高昂，高鉑載量導致了燃料電池的高成本，因此這一階段燃料電池研究的主要目標就是在降低鉑載量的同時提升電池性能，這一目標放在現在也仍然適用。20世紀80～90年代，美國Ian Raistrick提出了將溶有Nafion物質的溶液涂覆在多孔電極表面干燥后，再將該多孔電極與膜層壓在一起的技術，Wilson之后發明了將薄片狀電極與膜結合的技術，這兩種技術的結合使得燃料電池鉑載量得以大幅降低，同時燃料電池性能也得以提升[2]。

在過去180余年的發展歷史中，燃料電池技術的發展大致經歷了3次研究高峰期，分別是1839—1890年，1950—1960年和1980—1990年。燃料電池技術的突破性進展也基本都是在這3個時期產生的，但是受制于材料成本過高、電池性能和壽命不足、對電池內部熱質傳輸和電化學反應機理認識不足等因素，燃料電池未進入大規模商業化應用階段。自2014年至今，由于化石能源使用導致的環境污染與溫室效應問題日益顯著以及“碳中和”戰略目標的提出，燃料電池技術再一次獲得了廣泛關注。以日本豐田公司發布第一代氫燃料電池汽車Mirai（2014年，世界第一款量產燃料電池汽車）為標志，燃料電池研究迎來了第4次研究高峰。除豐田外，日本本田、韓國現代、中國上汽、中國一汽等多家世界知名汽車企業都開始布局燃料電池汽車研發，并推出了自己的燃料電池車型。除交通領域之外，燃料電池在分布式能源、發電站、航空航天、便攜式能源、熱電聯供等多個領域都獲得了廣泛應用。

我國對燃料電池技術的研究始于20世紀50年代，在“七五”到“十二五”規劃期間，我國在燃料電池技術研發方面也取得了較大進展，但與國際領先水平存在明顯差距。從“十三五”規劃開始，我國逐步加大了燃料電池的研究和推廣力度。2016年，中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》確定了“發展燃料電池汽車技術，開發燃料電池汽車產品是新能源汽車的重要技術路線”。2021年我國批準建設了北京、上海、廣東氫燃料電池汽車示范城市群，部署開展燃料電池汽車示范應用工作，截至2022年，又新增了河南、河北兩大燃料電池汽車示范城市群。目前我國的燃料電池技術與世界領先水平的差距正日益縮小，相信在不久的將來，我國將在燃料電池領域處于領先地位，并以此為契機改變我國在內燃機等動力裝置領域的落后局面，引領新一輪能源革命。