主题：燃料电池及在大连化物所的发展

中科院大连化学物理研究所博士生导师
衣宝廉 
   
作者简介

衣宝廉同志研究生毕业后35年主要从事燃料电池及其相关技术的应用研究，取得多项富有创造性的成果，曾获国家、省部级奖励7项，申报专利41件，发表论文七十余篇。

　　一．我国燃料电池技术奠基者和开拓者之一

　　他在1967年开始进行碱性燃料电池研究。成功地解决了高活性银氧电极和Pt/C、Pt-Pd/C氢电极制备，对电池氢循环动态排水进行理论分析，实现了单电池的稳定运行。1969年11月承接了航天氢氧燃料电池研制任务，组成总体组领导这一任务的实施，他是总体组成员。在朱葆琳先生和袁权院士领导下开发成功了至今仍具有技术先进性的静态排水、反应气路并串联、分室结构和空载两节电池实现电压调整等技术，提高了电池组的稳定性和可靠性。历时十年研制成功以液氢为燃料的500W A型和以肼分解气为燃料的300WB型电池系统。他领导了在北京进行的电池系统与液氢和液氧分系统的联试，与袁权院士组织了在上海进行的航天环模实验。于1978年通过院级鉴定，并于1982年获两个国防科委科技成果三等奖。

　　八十年代他承担并领导了七五攻关任务"水下用千瓦级燃料电池"研制。依据水下应用的要求，开发成功碱循环实现排水和排热双石棉膜型燃料电池，并研制成功室温氢氧复合化催化剂，将电池尾气复合成水。开发成功适于水下应用的氢氧燃料电池系统，通过了专家组验收。

　　他从八十年代末开始呼吁国家尽快资助燃料电池的研究与开发，在国际燃料电池研制热潮推动下，逐步得到863、科学院、科技部和973的资助，并将"燃料电池技术"列入科技部九五攻关，他作为这一项目负责人组织了这一任务的实施并在化物所领导了下述几种燃料电池的研究和开发。863任务"百瓦级再生氢氧燃料电池"，研制成功高效析氧电催化剂二氧化铱，薄层（＜5μm＝亲水电极，亲水薄层与憎水厚层（30～50μm）的复合电极，成功地组装了国内首台百瓦级再生氢氧燃料电池系统并通过863专家组验收。九五攻关任"熔融碳酸盐燃料电池关键部件制备与千瓦级电池"，在LiAlO2粗细粉料制备和LiAlO2隔膜制备方面已取得突破，并具备小批量生产能力。已组装和运行了90W、130W、300W和1000W电池组，申请专利7件。与企业合作开发的直接醇类燃料电池，在适于甲醇水溶液作燃料的电极结构和膜电极三合一制备技术方面取得重大进展，单池功率密度已达0.12W/cm2，达到国际公开报导水平。正在新型电池组结构方面进行攻关。已申请专利2件。质子交换膜燃料电池为九五攻关任务重点。他制定了总技术方案与实施路线。成功地开发了纳米级Pt/C、Pt-Ru/C电催化剂，憎水厚层电极，亲水薄层电极，膜电极三合一和薄金属双极板制备技术。开发了两种电池组密封和内增湿、无功耗尾气循环增湿与自增湿技术。并组装和试验了100W、200W、500W、1000W、5kW、10kW和30kW电池组。千瓦级和5-10千瓦电池组通过了国家鉴定。千瓦级电池组获辽宁省科技进步一等奖。他提出并为实践证实有效的电池组运行前不良单池的检测技术，至今未见国内外任何公司有类似技术。已申请质子交换膜燃料电池专利26件，形成了系统的自主知识产权。同时还进行了电池内水传递与平衡，流场与电流密度分布，电池组各节单池间反应气分配等应用基础研究，为进一步改进电池设计，提高电池性能奠定了基础。用千瓦电池组组装的电池系统作为沈阳水下机器人中心研制的远程水下机器人动力源已完成了封仓和水下实验。由6台5kW电池组组成的30kW电池系统作为动力源，和中科院电工所、东风汽车集团一道成功地研制出中国第一台燃料电池轻型电动客车演示车。

　　1998年我所与美国杜邦公司联合发起在大连召开了"燃料电池技术研讨会"，向国际同行介绍了中国的燃料电池研制与开发。至今已与美国通用、韩国科学技术研究院、英国某动力公司和日本弘前大学建立合作关系。我所侯明博士后正在意大利参加拟定中意双方关于燃料电池合作计划。1999年8月江泽民主席视察了我们研制的千瓦级燃料电池系统。同年10月我们研制的1kW、2kW和5kW电池参加了深圳中国首届高新技术交易会和在北京举行的第16届国际电汽车会，Ballard公司汽车部总裁Neil Otto先生在参观了我所电池并进行交流后说"你们的燃料电池研究水平是世界第一流的。"1998年千瓦级燃料电池鉴定委员会主任查全性院士在鉴定结论中认为"千瓦级离子膜燃料电池是国内首先独立开发成功的这类燃料电池系统，是我国燃料电池发展的重要里程碑。"该成果获2000年辽宁省科技进步一等奖。到2000年已有50多家中外企业与我们联系协商投资燃料电池产业化。在科技部、中科院支持下，在所领导组织下已选定5个国内企业注资5000万于2001年3月成立了新源动力股份有限公司。该公司旨在开发燃料电池批量生产技术和开拓市场并与所新能源室联合承担国家电汽车和AIP潜艇等有关燃料电池任务。目前该企业运作形势良好，到今年底燃料电池产品销售额将可达400万元。

　　二．我国燃料电池技术在电化过程中应用的探索者和开拓者之一

　　八十年代我国燃料电池研究处于低潮。他用燃料电池多孔气体扩散型氧电极代替氯碱、氯酸盐和高氯酸盐电解过程析氢阴极，用空气作退极化剂，槽电压下降超过0.8伏，实现大幅度节能，申报专利一件。其中氯酸盐电化生产节能和消除污染新技术完成了中试并获中科院科技成果一等奖和国家发明三等奖。改进的压滤机型采用氧阴极氯酸盐电解槽获院科技进步三等奖。他运用燃料电池技术实现了空气中氮氧分离，制备超纯氧和纯氮；粗氢的提纯与增压制备高压高纯氢。利用燃料电池电池组技术，用金属网电极代替多孔电极，电解水制备超纯氢和氧气。上述技术申请 件专利并转让给工厂投产。他还用多孔气体扩散电极研制了氢和一氧化碳电化学传感器和检测仪，生产的仪器已投放市场。

　　三．严谨的学风和献身精神

　　衣宝廉同志在研究工作中不畏难关，勇于创新，他坚信身教胜于言教，哪里有难题他就出现在那里，带出了一支能打硬仗的科研队伍。曾获1994年大连市，1995年辽宁省劳动模范和大连市优秀专家与发明家奖。培养了7名博士后，7名博士和5名硕士，为国家培养了大量燃料电池方面的人才，二名留所已成为工作主力。
　　论文集由宁夏出版基金资助将于今年出版。为21世纪材料丛书的"新能源材料"撰写了"燃料电池材料"（共三章），为导弹、航天丛书"航天器电源"撰写了"氢氧燃料电池"一章。这两本书将于今年出版。撰写的高级科普书"燃料电池--高效环境友好的发电方式"已由化工出版社出版，并应该社之约撰写专著"燃料电池原理、技术与应用"，今年中交稿。为曹征彦主编"中国洁净煤技术"撰写了第11章"燃料电池"，已由中国物资出版社出版。

燃料电池的效率按下式计算
　　式中fT 为热力学效率，即 ，等于0.83；fV为电压效率，为电池工作电压与可逆电势（1.229）之比；fi为电流效率，对石棉膜型电池，由前所述，接近100%；fg为反应气利用效率，对采用纯氢、纯氧为燃料的电池，一般而言，fg≥98%。由图可知，当i=100mA/cm2时，电池工作电压V=0.95V，取fg=0.98，代入上式计算得f=57.5%。
　　一个单池，工作电压仅0.6～1.0伏，为满足用户的需要，需将多节单池组合起来，构成一个电池组（stack）。首先依据用户对电池工作电压的需求，确定电池组单池的节数，再依据用户对电池组功率的要求，和对电池组效率及电池组重量与体积比功率的综合考虑，确定电池的工作面积。
　　以燃料电池组为核心，构建燃料（如氢）供给的分系统，氧化剂（如氧）供应的分系统，水热管理分系统和输出直流电升压、稳压分系统。如果用户需要交流电，还需加入直流交流逆变部分构成总的燃料电池系统。因此一台燃料电池系统相当于一个小型自动运行的发电厂，它高效、环境友好地将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。
　　阐明各分系统间关系的电池系统的方块图如图3所示。

2．分类与技术状态
　　至今已开发了多种类型的燃料电池，按电解质的不同分类和技术发展状态见表1。
类型 电解质 导电离子 工作温度 燃料 氧化剂 技术状态 可能的应用领域
碱性 KOH OH- 50~200°C 纯氢 纯氧 高度发展高效 航天，特殊地面应用
质子交换膜 全氟磺酸膜 H+ 室温~100°C 氢气，重整氢 空气 高度发展，需降低成本 电汽车，潜艇推动，可移动动力源
磷酸 H3PO4 H+ 100~200°C 重整气 空气 高度发展，成本高，余热利用价值低 特殊需求，区域性供电
熔融碳酸盐 (Li,K)CO3 CO32- 650~700°C 净化煤气天然气重整气 空气 正在进行现场实验，需延长寿命 区域性供电
固体氧化物 氧化钇稳定的氧化锆 O2- 900~1000°C 净化煤气天然气 空气 电池结构选择，开发廉价制备技术 区域供电，联合循环发电
　　二．燃料电池在化物所的进展
　　1．概述
　　七十年代，在朱葆琳先生和袁权院士的领导下，历经十年的奋斗，中国科学院大连化学物理研究所研制成功了两种型号（A型和B型）航天用，静态排水，石棉膜型H2-O2碱性燃料电池[2]。A型用液氢、液氧作燃料和氧化剂，带有水的回收和净化分系统。B型以N2H4在线分解产生的N2-H2混合气作燃料和液氧作氧化剂。这两种型号的碱性燃料电池外貌见图4，图5。并均通过航天环境模拟实验。

想向大大请教一下，除了在造价方面外燃料电池在大功率电器（比如电动车）与现下的镍氢、锂离子电池相比具有什么优势？

我是大一新生，正在做电池的综述论文

"我是大一新生，正在做电池的综述论文" 

晕

楼上的将来一定比衣院士更牛

请问电动车用燃料电池何时能够上市，而且价位是多少，电池的使用寿命是多少年

现阶段还是成本比较高，性能不够稳定，还没有成熟的市场，但前景可观。大师兄去年从那里出站。