一、项目背景

燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学能不经过热而直接转化为电能的装置。它利用氢气、天然气、煤气以及甲醇等非石油类燃料与纯氧或空气分别在电池的两极发生氧化-还原反应，连续不断地对环境提供直流电。燃料电池被认为是继火力、水力和核能发电之后有希望大量提供电力的第四种发电技术。

燃料电池有多种，各种燃料电池之间的差别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,即PEMFC)以质子交换膜为电解质，其特点是无噪音，零污染；无腐蚀，寿命长。由于其比功率大，能量效率高，工作温度低，启动速度快，特别适于用作动力电池。

PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。然而PEMFC燃料电池要在性能及价格方面达到与内燃机汽车有竞争力的水平还有大量的工作要做，特别是价格方面，20世纪80年代时燃料电池每千瓦功率的价格为1500～2000美元，本世纪初达到500～600美元，也就是说一辆功率为50kw的汽车，仅燃料电池的价格仍需25000～30000美元，为了降低价格，世界各国正在大力研究新材料（如新的质子交换膜，新的催化材料及技术等）、新结构、新工艺和新技术。

二、应用前景

PEMFC作为新一代能源技术应用十分广泛，凡是需要能源、动力的地方都可以应用PEMFC。PEMFC可用作汽车和摩托车等交通工具动力系统，可用作可移动小型供电系统，可用作电子设备的不间断电源，可用作分散型电站，可用作军事、医疗、娱乐场所等的应急电源等，各种各样的PEMFC产品将渗透到社会各行各业乃至普通家庭，其广阔的应用前景可与计算机技术比美。

由于PEMFC应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。鉴于其重要性，燃料电池已经被美国列为使美国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一，并被美国、加拿大等发达国家认定为21世纪首选的清洁能源系统。在我国，对PEMFC技术也非常重视，被列为面向产业化的国家“十五”“863”重大科技攻关专项。可以说研究开发PEMFC技术，我们与发达国家的差距并不是很大。

三、研究开发现状

PEMFC主体由膜电极(membrane electrode assembly)、集流板和冷却板等组成。膜电极是PEMFC的核心部分。目前主要的膜材料为美国Du Pont公司的Nafion膜、美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi公司的Aciplex膜及日本Asahi Glass公司的Flemion膜等；催化剂为负载Pt(阴极)和负载Pt-Ru(阳极)；集流板为Ti板、涂层金属板或石墨板。在PEMFC技术中，关键是膜电极的制作和电池水/热平衡控制技术。前者决定着电池的性能，后者则关系到电池能否稳定运行。前已述及PEMFC组件的价格十分昂贵，以膜电极中的质子交换膜和催化剂Pt为甚，这一直是限制PEMFC投入使用的主要原因。 目前降低PEMFC组件成本的研究方兴未艾，其中以膜电极的研究报道最多。开发新的高性能膜材料，降低Pt含量，扩大Pt催化表面积，提高催化性能，高效利用质子交换膜，优化电极反应条件是摆在研究者面前的重要课题，此外在甲醇直接燃料电池中，目前的膜还存在严重的缺陷（甲醇渗透），有必要开发新的质子交换膜。

当前，开发价格低廉，性能优良的膜材料是各国关注的焦点，特别是在日本目前有不少科研机构正在进行膜材料的开发研究。

四、开发及商业计划

在日本工作期间，我们采用电离辐射技术制备了以PTFE为基材的质子交换膜。研究结果表明新膜的成本约为Nafion膜的1%，质子交换能力优于Nafion膜，而且在醇水混合体系中极少溶胀，可望用于直接甲醇燃料电池。由此可见这种新的制备方法对燃料电池成本的降低及膜性能的改进是一大福音。由于国外的研究刚刚开始，我们的研究将与他们处在同一条起跑线上。所以非常有必要在国内迅速开展这一项目的研究开发工作。

该项目研究的5年计划为：

2002—2004年：主要进行新型聚合物质子交换膜的制备，提高膜的强度、稳定性及质子交换能力；

2003—2005年：进行新型膜复合电极的研究；

2004—2007年：新型聚合物质子交换膜燃料电池的系统开发。

五、合作方式

联合开发。

六、联系方式

北京大学科技处

联系人：杨松尧    电话：010-62757181

邮箱：zkkf@cpku.edu.cn

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