燃料电池理论发展的过程及方向

燃料电池的历史可以上溯到19世纪，确切地说是始于1839年英国人格罗夫(W. Grove)的研究。格罗夫使用两个铂电极电解硫酸时注意到，析出的气体(氢和氧)具有电化学活性，并在两极产生约lv的电势差。1894年，奥斯特瓦尔德(W. Ostwald )从热力学理论证实，燃料的低温电化学氧化优于高温燃烧，电化学电池的能量转换效率高于热机。热机效率受卡诺(carrot)循环限制，而燃料电池的效率不受卡诺循环限制。
20世纪初，人们就期望将化石燃料的化学能直接转变为电能。一些杰出的物理化学家，如能斯特(Nernst )、哈伯(Har-ber)等，对直接碳一氧燃料电池做了许多努力，但他们的研究受当时材料技术水平的限制。1920年以后，由于在低温材料性能研究方面的成功，对气体扩散电极的研究重新开始。1933年，鲍尔(Baur)设想一种电化学系统:在室沮下，用碱性电解质，以氢为燃料。英国人培根(F. Bacon)对包括多孔电极在内的碱式电极系统进行了研究。50年代，培根成功地开发了多孔镍电极，并制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。培根的研究成果是后来美国宇航局(NASA)阿波罗(Apollo)计划中燃料电池的基础。1958年，布劳尔斯(Broers)改进了熔融碳酸盐燃料电池系统，并取得了较长的预期寿命。
由于空间竟赛，燃料电池在20世纪五六十年代得到了广泛关注。1968年NASA完成了Apollo登月计划。此后对燃料电池研究热了起来。低催化剂载量的多孔碳基材料降低了陆地上使用的氢一空气燃料电池的成本，使人们开始热衷于电动机动车的研制。1970年，考尔迪什(K. Kordesch)装配了以氢一空气碱性燃料电池为动力的4座位轿车，并实际运行了3年。
因为宇航项目数量上的减少，燃料电池的研究开发经历了短时期的低潮。由于70年代初的石油危机，燃料电池的研究开发出现了新的浪潮，研究项目逐年增多，并且注重能源利用率及环境影响。
到了70年代中期，燃料电池技术的发展有了新动向。已在空间应用方面达到最高水平的碱性燃料电池，逐步被磷酸燃料电池的广泛研究开发取代，因为磷酸燃料电池更适用于燃料电池发电站。与此同时，由于碳氢化合物是首选燃料，还必须开发重整技术。磷酸燃料电池的功率已达到兆瓦级，寿命也已达到实用要求。由于在电能和热能方面的高效率，熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池
都得到了快速发展。但寿命仍然是高温燃料电池必须解决的难题。
燃料电池在oo年代最大的突破是质子交换膜燃料电池的发展。质子交换膜燃料电池虽然早在60年代就已出现.却未被用到空间技术上，对其重视程度也不及碱性燃料电池。随着对新型膜和催化剂的不断研究，已研制出了具有高功率密度的膜。
从历史上看，燃料电池技术的发展未能竞争过快速发展的燃烧发电技术，是因为燃料电池发展过程中相应的结构材料的发展是分阶段、时断时续进行的，未能使人们清楚地认识到对燃料电池的需求，而只醉心于使用廉价的化石燃料，大力开发火力发电技术，而中止了燃料电池的研究开发。
目前，五类燃料电池各自处在不同的发展阶段。AFC是最成熟的燃料电池技术.其应用领域主要是在空间。在欧洲，AFC在陆地上的应用一直没有间断。PAFC试验电厂的功率达到1.3一11MW, 50 -250kw的工作电站已进人商业化阶段，但成本较高。MCFC和SOFC被认为最适合共发电，MCFC试验电厂的功率达到Mw级，几十至250kW工作电站接近商业化。SOFC的研究开发仍处于起步阶段，功率小于100 kWo PEMFC在90年代发展很快，特别是作为便携式电源和机动车电源。
我国燃料电池研究始于20世纪50年代末。70年代国内的燃料电池研究出现了第一次高峰，主要是国家投资的航天用AFC，如氨一空气燃料电池等。90年代以来，随着国外燃料电池技术取得了重大进展，在国内又形成了新一轮的燃料电池研究热潮。1997年以后，在国家自然科学基金会、科技部等的支持下，燃料电池技术列人了“九五”、“十五”攻关、"863", "973”等重大计划之中。以纯氢为燃料的30kW(5kW x6) PEMFC为动力、拥有自主的知识产权的中巴车，已于2001年1月成功运行。30kW PEMFC燃料电池开发项目，已进行动态实验。