1.1.2 燃料电池的发展历程

燃料电池（Fuel Cell，FC）是氢能利用过程中的一种非常重要的电化学反应装置，其基本工作原理是通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，被认为是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第4种发电技术，曾被美国《时代》杂志列为21世纪改变人类生活的十大新科技。燃料电池的能量转化过程与目前广泛应用的热机（如内燃机）有本质区别。传统热机是将反应物中的化学能首先通过燃烧等化学反应转化为热能，然后再转化为机械能，热机最大能量转化效率受卡诺循环限制。而燃料电池能量转化过程不受卡诺循环限制，其实际工作效率通常可达50%以上，一般要高于传统热机。虽被称为“电池”，但燃料电池与铅酸电池和锂电池等二次电池显著不同，后者是能量存储装置，反应物（燃料和氧化剂）存储在电池内部，其所提供的最大能量和一次供电时间取决于其存储的反应物量，而燃料电池是一种发电装置，燃料和氧化剂由外部进行供给，如果能持续供给燃料和氧化剂且持续排出生成物，理论上燃料电池就可持续发电，但是在实际应用过程中可靠性和寿命等因素会限制燃料电池的实际工作时间。

燃料电池技术至今已有180余年发展历史。1839年，英国法官和科学家威廉·罗伯特·格罗夫爵士（William Robert Grove）第一次对燃料电池原理进行了准确阐释，他用铂作为电极，硫酸溶液作为电解质，氢气和氧气作为反应物，展示了现代意义上的第一个燃料电池。他本人将其称为“气态伏特电池”。1889年，英国化学家蒙德（Ludwig Mond）和兰格（Charles Langer）以铂黑为催化剂，以打孔的铂为电极，同时和浸润了硫酸溶液的吸附材料层压在一起组装出燃料电池，工作电流密度为3.5mA/cm2时的输出电压为0.73V，这与现代燃料电池已经非常接近，同时，这也是“燃料电池（Fuel Cell）”这个名字首次出现。1959年，英国剑桥大学的培根（Francis T. Bacon）教授建造了第一台实用的5kW燃料电池，可为焊接机提供动力，这也是燃料电池首次得到实际应用，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辆以燃料电池为动力的农用拖拉机，该燃料电池由1008片单电池组成，功率达到了15kW。20世纪60年代，燃料电池在美国“双子星座”宇宙飞船和阿波罗登月飞船上作为辅助电源得到成功应用，这也是燃料电池技术首次应用于航空领域，其中“双子星座”宇宙飞船上应用的燃料电池系统功率为1kW，铂载量为35mg/cm2，工作电流密度在0.78V电压下达到了37mA/cm2。由于铂属于贵金属，成本高昂，高铂载量导致了燃料电池的高成本，因此这一阶段燃料电池研究的主要目标就是在降低铂载量的同时提升电池性能，这一目标放在现在也仍然适用。20世纪80～90年代，美国Ian Raistrick提出了将溶有Nafion物质的溶液涂覆在多孔电极表面干燥后，再将该多孔电极与膜层压在一起的技术，Wilson之后发明了将薄片状电极与膜结合的技术，这两种技术的结合使得燃料电池铂载量得以大幅降低，同时燃料电池性能也得以提升[2]。

在过去180余年的发展历史中，燃料电池技术的发展大致经历了3次研究高峰期，分别是1839—1890年，1950—1960年和1980—1990年。燃料电池技术的突破性进展也基本都是在这3个时期产生的，但是受制于材料成本过高、电池性能和寿命不足、对电池内部热质传输和电化学反应机理认识不足等因素，燃料电池未进入大规模商业化应用阶段。自2014年至今，由于化石能源使用导致的环境污染与温室效应问题日益显著以及“碳中和”战略目标的提出，燃料电池技术再一次获得了广泛关注。以日本丰田公司发布第一代氢燃料电池汽车Mirai（2014年，世界第一款量产燃料电池汽车）为标志，燃料电池研究迎来了第4次研究高峰。除丰田外，日本本田、韩国现代、中国上汽、中国一汽等多家世界知名汽车企业都开始布局燃料电池汽车研发，并推出了自己的燃料电池车型。除交通领域之外，燃料电池在分布式能源、发电站、航空航天、便携式能源、热电联供等多个领域都获得了广泛应用。

我国对燃料电池技术的研究始于20世纪50年代，在“七五”到“十二五”规划期间，我国在燃料电池技术研发方面也取得了较大进展，但与国际领先水平存在明显差距。从“十三五”规划开始，我国逐步加大了燃料电池的研究和推广力度。2016年，中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》确定了“发展燃料电池汽车技术，开发燃料电池汽车产品是新能源汽车的重要技术路线”。2021年我国批准建设了北京、上海、广东氢燃料电池汽车示范城市群，部署开展燃料电池汽车示范应用工作，截至2022年，又新增了河南、河北两大燃料电池汽车示范城市群。目前我国的燃料电池技术与世界领先水平的差距正日益缩小，相信在不久的将来，我国将在燃料电池领域处于领先地位，并以此为契机改变我国在内燃机等动力装置领域的落后局面，引领新一轮能源革命。