1.1.2 燃料電池的發(fā)展歷程

燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是氫能利用過程中的一種非常重要的電化學(xué)反應(yīng)裝置，其基本工作原理是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，被認(rèn)為是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第4種發(fā)電技術(shù)，曾被美國《時(shí)代》雜志列為21世紀(jì)改變?nèi)祟惿畹氖笮驴萍肌Ｈ剂想姵氐哪芰哭D(zhuǎn)化過程與目前廣泛應(yīng)用的熱機(jī)（如內(nèi)燃機(jī)）有本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)熱機(jī)是將反應(yīng)物中的化學(xué)能首先通過燃燒等化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，熱機(jī)最大能量轉(zhuǎn)化效率受卡諾循環(huán)限制。而燃料電池能量轉(zhuǎn)化過程不受卡諾循環(huán)限制，其實(shí)際工作效率通常可達(dá)50%以上，一般要高于傳統(tǒng)熱機(jī)。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(chǔ)裝置，反應(yīng)物（燃料和氧化劑）存儲(chǔ)在電池內(nèi)部，其所提供的最大能量和一次供電時(shí)間取決于其存儲(chǔ)的反應(yīng)物量，而燃料電池是一種發(fā)電裝置，燃料和氧化劑由外部進(jìn)行供給，如果能持續(xù)供給燃料和氧化劑且持續(xù)排出生成物，理論上燃料電池就可持續(xù)發(fā)電，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中可靠性和壽命等因素會(huì)限制燃料電池的實(shí)際工作時(shí)間。

燃料電池技術(shù)至今已有180余年發(fā)展歷史。1839年，英國法官和科學(xué)家威廉·羅伯特·格羅夫爵士（William Robert Grove）第一次對(duì)燃料電池原理進(jìn)行了準(zhǔn)確闡釋，他用鉑作為電極，硫酸溶液作為電解質(zhì)，氫氣和氧氣作為反應(yīng)物，展示了現(xiàn)代意義上的第一個(gè)燃料電池。他本人將其稱為“氣態(tài)伏特電池”。1889年，英國化學(xué)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(shí)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(shí)的輸出電壓為0.73V，這與現(xiàn)代燃料電池已經(jīng)非常接近，同時(shí)，這也是“燃料電池（Fuel Cell）”這個(gè)名字首次出現(xiàn)。1959年，英國劍橋大學(xué)的培根（Francis T. Bacon）教授建造了第一臺(tái)實(shí)用的5kW燃料電池，可為焊接機(jī)提供動(dòng)力，這也是燃料電池首次得到實(shí)際應(yīng)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(dòng)力的農(nóng)用拖拉機(jī)，該燃料電池由1008片單電池組成，功率達(dá)到了15kW。20世紀(jì)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(yīng)用，這也是燃料電池技術(shù)首次應(yīng)用于航空領(lǐng)域，其中“雙子星座”宇宙飛船上應(yīng)用的燃料電池系統(tǒng)功率為1kW，鉑載量為35mg/cm2，工作電流密度在0.78V電壓下達(dá)到了37mA/cm2。由于鉑屬于貴金屬，成本高昂，高鉑載量導(dǎo)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(biāo)就是在降低鉑載量的同時(shí)提升電池性能，這一目標(biāo)放在現(xiàn)在也仍然適用。20世紀(jì)80～90年代，美國Ian Raistrick提出了將溶有Nafion物質(zhì)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(shù)，Wilson之后發(fā)明了將薄片狀電極與膜結(jié)合的技術(shù)，這兩種技術(shù)的結(jié)合使得燃料電池鉑載量得以大幅降低，同時(shí)燃料電池性能也得以提升[2]。

在過去180余年的發(fā)展歷史中，燃料電池技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)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(shù)的突破性進(jìn)展也基本都是在這3個(gè)時(shí)期產(chǎn)生的，但是受制于材料成本過高、電池性能和壽命不足、對(duì)電池內(nèi)部熱質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)不足等因素，燃料電池未進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。自2014年至今，由于化石能源使用導(dǎo)致的環(huán)境污染與溫室效應(yīng)問題日益顯著以及“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，燃料電池技術(shù)再一次獲得了廣泛關(guān)注。以日本豐田公司發(fā)布第一代氫燃料電池汽車Mirai（2014年，世界第一款量產(chǎn)燃料電池汽車）為標(biāo)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(xiàn)代、中國上汽、中國一汽等多家世界知名汽車企業(yè)都開始布局燃料電池汽車研發(fā)，并推出了自己的燃料電池車型。除交通領(lǐng)域之外，燃料電池在分布式能源、發(fā)電站、航空航天、便攜式能源、熱電聯(lián)供等多個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用。

我國對(duì)燃料電池技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，在“七五”到“十二五”規(guī)劃期間，我國在燃料電池技術(shù)研發(fā)方面也取得了較大進(jìn)展，但與國際領(lǐng)先水平存在明顯差距。從“十三五”規(guī)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(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》確定了“發(fā)展燃料電池汽車技術(shù)，開發(fā)燃料電池汽車產(chǎn)品是新能源汽車的重要技術(shù)路線”。2021年我國批準(zhǔn)建設(shè)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(yīng)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(shù)與世界領(lǐng)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(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并以此為契機(jī)改變我國在內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力裝置領(lǐng)域的落后局面，引領(lǐng)新一輪能源革命。