燃料电池的发展方面和商业化 （应化二班 2008302037 甘贻迪）
摘要：燃料电池的原理是在19th 被发现的，而它的第一个可行的原型于大约五十年前才被
构建出来。在过去的10年中, 趋于商业利益的目的，人们开始广泛的研究燃料电池，从而使
得该产业从单纯的科学研究转向了更深层次的早期实际应用阶段。本文将介绍燃料电池当前
在商业和技术两方面的发展状况, 例如将介绍如其发展中面临的挑战以及其解决办法，并且
还介绍了目前燃料电池生产的实际产量和类型。同时本文将讨论一些围绕燃料电池在工业和
商业方面的引入问题和它是否会对当前领先科技产生影响问题，和铂离子交换膜燃料电池能
否被应用甚至代替当前的电池科技。
关键词：燃料电池、质子交换膜燃料电池、汽车、铂金属 一、总体介绍
尽管燃料电池也不是一种新技术，其原理早在1839年被发现。然而鉴于其重要性，人们
依然用了大量时间努力将它转化为实际应用。而它最早是被使用于空间项目中, 目的为在轨
宇宙飞船提供电力和饮用水。之后，在1970到1980, 燃料电池有一些具体的应用，特别是作
为固定发电装置，但直到1990年代, 汽车工业才开始认真研究燃料电池的使用价值，这才使
得其快速发展起来。现在，燃料电池被看成是一种很时髦的可以用于许多不同消费领域和工
业产品的技术。显而易见, 当燃料电池与不断增长的市场相结合后，其知名度已急剧上升，
并被认为是一个潜在的应用于零部件和材料的市场。 二、燃料电池的应用
燃料电池像什么, 简单的说, 就是一个黑色的盒子, 燃料和空气被放在里边，而电、热、
水等同时被生产出来的产品。只要是需要电和热的地方它都能被广泛的应用，而这个范围可
以从手机所需毫瓦或瓦的电量, 到相当于传统的发电站几个兆瓦电量。
使用燃料有许多特定的优势, 并且使得个人消费市场的应用科技得到进一步的发展比如,
电池的峰值功率和总能量都是由其大小决定的。一个燃料电池系统中, 燃料电池的体积大小
可以控制其峰值功率，而储存的总能量由其数量决定。由于便携式设备需要电量持久，功率
大的电池，因而功率和能量鱼与熊掌不能兼得的现状不断被改变，最终燃料电池因为其更轻,
电量更持久的特点击败了它的对手们。因此, 作为传统电池的替代品，电子工业部门对燃料
电池极为感兴趣。
与此同时, 汽车行业中具有极低甚至为零的尾气排放的燃料电池汽车, 吸引了环境立法者
和汽车公司本身极大的关注。在这里, 从汽车中燃料电池技术的应用是已被测试的完全不同
于传统燃油汽车的应用技术，且其更为清洁的，能更有效代替传统燃油发动机提供动力。 三、燃料电池种类
事实上, 燃料电池领域比你想象的复杂得多。根据所含电解液的不同，燃料电池被典型
地区分开来，形成了许多种类型。电解液有:碱性电解液, 熔融碳酸盐, 含磷酸的电解液、质
子交换膜(和类似的含甲醇的电解液), 以及固体氧化物。每种燃料电池都有某些特定的属性
和优势, 见表1。其中最重要的属性是其操作温度。一个在低温下工作的燃料电池通常意味着
它可以快速启动并且反应快速, 允许它应用到某些方面，比如为汽车提供主要动力, 如引擎的
替代对温度更为敏感。一个更高的操作温度, 另一方面, 导致效率因电能的利用和产生热而提
高。因而对于大规模的发电设备，运行成本的成比例增加与原始的投入相比较是很重要的。
工作温度也影响其他领域。或许最重要的是, 在较高温度下电生成反应可以迅速发生,
而不需要在燃料电池的电极中加入催化剂。从而间接地降低对金属铂组需求。同时提高工作
温度后，燃料电池中杂质和毒药的存在影响作用也较低, 从而允许设计更简单又好又便宜的
电池系统
当然, 也存在其他因素影响使得一个特定的燃料电池最适合被实施应用。虽然，表1列
出了每个类型的燃料电池最宜采应用范围，但这篇文章并没有将其余因素全部列举出来, 我
们不仅可以看见燃料电池与新的电池科技以及当代电池科技的竞争，还可以看到不同种类燃
料电池之间的竞争。而同样清楚的是, 铂质子交换膜燃料电池是最适宜被采纳, 能找到最广泛
的应用的技术。
图一、燃料电池汽车生产数量
五、留给我们的挑战
尽管燃料电池技术还没有充分的开发出来，同时也存在许多问题, 它需要去解决允许燃
料电池发展的一个更大的市场。其中的一些技术方面是电池的耐久性、寿命和性能满足要求,
但最重要的是商业化。
引入一种新产品总是具有独特的挑战性, 尤其是去取代现任的产品。在燃料电池的发展
中有一些特定的性能目标必须达到, 才能使燃料电池产业繁荣起来。当然最重要的是其可靠
性, 特别是成本。图2，给出了产生每千瓦能量的燃料电池和竞争者的成本。当前价格能让一
些客户利益(例如, 军队) 但是涉及的原料和部件的成本以及制造的费用对进入更大的市场起
着重要的作用。
图二、各技术发电成本 事实上, 汽车制造商已被报道的称要达到成本50-100美元每千瓦的言论, 对于今天是一
个非常具有挑战性的需要大量改进的目标
证明性能(假定燃料电池技术被证明能达到有关绩效水平放在首位) 不是本身困难。然而,
它的确需要很多时间去证明其持久性:一些市场显示对于汽车运行5000小时或40000小时(5
年) 为更大规模的电源。这些时间规模将限制燃料电池技术的进入市场
它也需要专业的人力和金钱资源去运行这些测试并提供支持。而在这一段时间内，较低
的收入将是这个部门这个工业的从业者面临的最大挑战。尽管如此, 这些挑战正在得到解决
几乎所有的受访者相信少部分甚至多数人能够最终成功。
六、生态循环
虽然还有其他的利益驱动力，但燃料电池依然被认为是是一种很合理的
环保技术。如果它们被成功的采用的话, 那么能否达到它们的全部的环境潜在能力将是很重
要的。
燃料电池对环境的影响周期是很短暂的，因而将这种燃料作为“绿色”能源是可行的。这
个问题是在初始设计阶段中中第一个正被处理的问题，使许多行业许多公司意识到 (包括便
携式电子产品和汽车市场) 并去制定了对于他们自己的产品的回收目标。因此, 集成电路和次
元件被设计成可回收和重复使用的。这个工业在有决心回收高价值的组成部分的同时，例如
膜和含铂的催化剂，显然已经影响到了材料的使用。
第二个问题是燃料电池与已经被广泛讨论的可再生氢能源的结合。
从环境和社会的情况出发，长远考虑采用燃料电池这一方案不能被忽视。然而,
我们很清楚, 在当前以经济可行的方式，将这两套不同技术融合在一起是不可行的。
因此，在短期内, 通过燃料电池驱动汽车的小数量引入, 不可能展现其全部可适用于未来
的环境利益。在他们可以投入使用之前，有限的车辆试验, 政府补贴和有远见的立法者, 证明
燃料电池的可行性都是很重要的。
七、对铂族金属的的影响
正如表1所提到的, 特定类型的燃料电池技术, 即碱、直接甲醇, 磷酸和质子交换膜都需要
使用铂金或其他白金集团的金属(PGM)催化剂。而对于该金属或族金属得大量选择，及其使
用比例, 都精确依赖于技术和燃料利用。然而, 如果这些技术中的任何一个得到大规模的商业
成功, 它都将会为铂金属类催化剂提供一个有利可图的新的具体应用。
已经有许多对于贵重金属消费量的定量尝试，最近的一项研究显示与一个全球性的市场
200吨每年的消费量对比，电池领域在2010年铂金的消费量是15。然而, 这依然非常困难, 甚
至是不可能的去准确预测，关于产生每千瓦电能对铂金属需求量的科技的发展和燃料电池作
为单独的部门进入市场的占有率。因而坚持去了解被期望的铂金属的准确需求量是十分重要
的
美国能源部已制定其目标，如果燃料电池技术能商业化，则将必须去满足每辆车对铂金
的需求。他们将许多不同行业的评论员的意见聚集在一起后，从长远的负担考虑得出每辆发
-1动机功率被定格为75kw 时的汽车需要10g 的铂金属是很合理的，也就是0·13克Pt/kW 。一
个图表，可以很合理被利用去显示一个从长远考虑的质子交换膜燃料电池对白金的使用量。
相比之下, 反应更困难的直接甲醇电池技术将会需要10倍量的铂金去产生一千瓦的电能。
看着燃料电池的潜在应用前景以及这些应用在销售数量上的增加(比如说10%的当前市
场), 很清楚地表明的最重要的市场应该来源于对燃料电池在低环境污染汽车上的应用和其
最值得去监测的铂金属作为新资源的长期潜在的需求市场。
八、总结
燃料电池是在大范围的能量中产生电、热的一种非常灵活的，在许多不同的应用中具有
潜能的技术。对于各种各样的特殊的燃料电池技术应被确保他们至少能在某些市场获得成功,
尽管商业发展还处于相对早期的阶段。
对于各种类型的燃料电池, 尤其是许多利用低温度技术的燃料电池都利用铂金去作为电
极催化剂得关键组成。其中, 质子交换膜燃料电池的似乎是应用范围最广的, 并且应该在这些
新颖的应用中主要地决定对铂金的需求。
展望对铂金的需求是极其困难的，其关键因素包括市场渗透的程度，科技发展的速度的
提高，以及一次性产品的再循环得以利用的数量。总的来说, 这个新兴产业正在取得进展，
以及未来几年的发展将使得铂族金属工业的影响规模更被了解。
参考文献：
[1]ANON: Cellular News, 30 July 2003.
[2]C. K. DYER. fuel cells for portable applications[J]. Power Sources, 2002, 106:
31–34.
[3]C. HANDLEY, N. P. BRANDON and R. VAN DER WORST.Impact of the European Union
vehicle waste directive on end-of-life options for polymer electrolyte fuel cells[J].
Power Sources, 2002, 106:344–352.
[4]C. JAFFRAY and G. HARDS.Precious metal requirements.(eds. W. Vielstich, A. Lamm
and H. Gasteiger), Handbook of fuel cells: fundamentals, technology and
applications[J]. Chichester, John Wiley,2003,3:509–513.
[5]O. MANYATHI: Mining Weekly, 23 January 2004.
[6]M. RONCHETTI and A. IACOBAZZI.Celle a combustibile: stato di sviluppo e
prospettive della tecnologia[J].Italy, ENEA 2002,16.
[7]B. SORENSEN et al.Hydrogen as an energy carrier:scenarios for future use of
hydrogen in the Danish energy system[J].Int. J. Hydrogen Energy, 2004, 29:23–32.
[8]V. VAITHEESWARAN.Power to the people: how the coming energy revolution will
transform an industry,change our lives and maybe even save the planet[J] New York,
Farrar Straus Giroux,2003 : 1–228.
燃料电池的发展方面和商业化 （应化二班 2008302037 甘贻迪）
摘要：燃料电池的原理是在19th 被发现的，而它的第一个可行的原型于大约五十年前才被
构建出来。在过去的10年中, 趋于商业利益的目的，人们开始广泛的研究燃料电池，从而使
得该产业从单纯的科学研究转向了更深层次的早期实际应用阶段。本文将介绍燃料电池当前
在商业和技术两方面的发展状况, 例如将介绍如其发展中面临的挑战以及其解决办法，并且
还介绍了目前燃料电池生产的实际产量和类型。同时本文将讨论一些围绕燃料电池在工业和
商业方面的引入问题和它是否会对当前领先科技产生影响问题，和铂离子交换膜燃料电池能
否被应用甚至代替当前的电池科技。
关键词：燃料电池、质子交换膜燃料电池、汽车、铂金属 一、总体介绍
尽管燃料电池也不是一种新技术，其原理早在1839年被发现。然而鉴于其重要性，人们
依然用了大量时间努力将它转化为实际应用。而它最早是被使用于空间项目中, 目的为在轨
宇宙飞船提供电力和饮用水。之后，在1970到1980, 燃料电池有一些具体的应用，特别是作
为固定发电装置，但直到1990年代, 汽车工业才开始认真研究燃料电池的使用价值，这才使
得其快速发展起来。现在，燃料电池被看成是一种很时髦的可以用于许多不同消费领域和工
业产品的技术。显而易见, 当燃料电池与不断增长的市场相结合后，其知名度已急剧上升，
并被认为是一个潜在的应用于零部件和材料的市场。 二、燃料电池的应用
燃料电池像什么, 简单的说, 就是一个黑色的盒子, 燃料和空气被放在里边，而电、热、
水等同时被生产出来的产品。只要是需要电和热的地方它都能被广泛的应用，而这个范围可
以从手机所需毫瓦或瓦的电量, 到相当于传统的发电站几个兆瓦电量。
使用燃料有许多特定的优势, 并且使得个人消费市场的应用科技得到进一步的发展比如,
电池的峰值功率和总能量都是由其大小决定的。一个燃料电池系统中, 燃料电池的体积大小
可以控制其峰值功率，而储存的总能量由其数量决定。由于便携式设备需要电量持久，功率
大的电池，因而功率和能量鱼与熊掌不能兼得的现状不断被改变，最终燃料电池因为其更轻,
电量更持久的特点击败了它的对手们。因此, 作为传统电池的替代品，电子工业部门对燃料
电池极为感兴趣。
与此同时, 汽车行业中具有极低甚至为零的尾气排放的燃料电池汽车, 吸引了环境立法者
和汽车公司本身极大的关注。在这里, 从汽车中燃料电池技术的应用是已被测试的完全不同
于传统燃油汽车的应用技术，且其更为清洁的，能更有效代替传统燃油发动机提供动力。 三、燃料电池种类
事实上, 燃料电池领域比你想象的复杂得多。根据所含电解液的不同，燃料电池被典型
地区分开来，形成了许多种类型。电解液有:碱性电解液, 熔融碳酸盐, 含磷酸的电解液、质
子交换膜(和类似的含甲醇的电解液), 以及固体氧化物。每种燃料电池都有某些特定的属性
和优势, 见表1。其中最重要的属性是其操作温度。一个在低温下工作的燃料电池通常意味着
它可以快速启动并且反应快速, 允许它应用到某些方面，比如为汽车提供主要动力, 如引擎的
替代对温度更为敏感。一个更高的操作温度, 另一方面, 导致效率因电能的利用和产生热而提
高。因而对于大规模的发电设备，运行成本的成比例增加与原始的投入相比较是很重要的。
工作温度也影响其他领域。或许最重要的是, 在较高温度下电生成反应可以迅速发生,
而不需要在燃料电池的电极中加入催化剂。从而间接地降低对金属铂组需求。同时提高工作
温度后，燃料电池中杂质和毒药的存在影响作用也较低, 从而允许设计更简单又好又便宜的
电池系统
当然, 也存在其他因素影响使得一个特定的燃料电池最适合被实施应用。虽然，表1列
出了每个类型的燃料电池最宜采应用范围，但这篇文章并没有将其余因素全部列举出来, 我
们不仅可以看见燃料电池与新的电池科技以及当代电池科技的竞争，还可以看到不同种类燃
料电池之间的竞争。而同样清楚的是, 铂质子交换膜燃料电池是最适宜被采纳, 能找到最广泛
的应用的技术。
图一、燃料电池汽车生产数量
五、留给我们的挑战
尽管燃料电池技术还没有充分的开发出来，同时也存在许多问题, 它需要去解决允许燃
料电池发展的一个更大的市场。其中的一些技术方面是电池的耐久性、寿命和性能满足要求,
但最重要的是商业化。
引入一种新产品总是具有独特的挑战性, 尤其是去取代现任的产品。在燃料电池的发展
中有一些特定的性能目标必须达到, 才能使燃料电池产业繁荣起来。当然最重要的是其可靠
性, 特别是成本。图2，给出了产生每千瓦能量的燃料电池和竞争者的成本。当前价格能让一
些客户利益(例如, 军队) 但是涉及的原料和部件的成本以及制造的费用对进入更大的市场起
着重要的作用。
图二、各技术发电成本 事实上, 汽车制造商已被报道的称要达到成本50-100美元每千瓦的言论, 对于今天是一
个非常具有挑战性的需要大量改进的目标
证明性能(假定燃料电池技术被证明能达到有关绩效水平放在首位) 不是本身困难。然而,
它的确需要很多时间去证明其持久性:一些市场显示对于汽车运行5000小时或40000小时(5
年) 为更大规模的电源。这些时间规模将限制燃料电池技术的进入市场
它也需要专业的人力和金钱资源去运行这些测试并提供支持。而在这一段时间内，较低
的收入将是这个部门这个工业的从业者面临的最大挑战。尽管如此, 这些挑战正在得到解决
几乎所有的受访者相信少部分甚至多数人能够最终成功。
六、生态循环
虽然还有其他的利益驱动力，但燃料电池依然被认为是是一种很合理的
环保技术。如果它们被成功的采用的话, 那么能否达到它们的全部的环境潜在能力将是很重
要的。
燃料电池对环境的影响周期是很短暂的，因而将这种燃料作为“绿色”能源是可行的。这
个问题是在初始设计阶段中中第一个正被处理的问题，使许多行业许多公司意识到 (包括便
携式电子产品和汽车市场) 并去制定了对于他们自己的产品的回收目标。因此, 集成电路和次
元件被设计成可回收和重复使用的。这个工业在有决心回收高价值的组成部分的同时，例如
膜和含铂的催化剂，显然已经影响到了材料的使用。
第二个问题是燃料电池与已经被广泛讨论的可再生氢能源的结合。
从环境和社会的情况出发，长远考虑采用燃料电池这一方案不能被忽视。然而,
我们很清楚, 在当前以经济可行的方式，将这两套不同技术融合在一起是不可行的。
因此，在短期内, 通过燃料电池驱动汽车的小数量引入, 不可能展现其全部可适用于未来
的环境利益。在他们可以投入使用之前，有限的车辆试验, 政府补贴和有远见的立法者, 证明
燃料电池的可行性都是很重要的。
七、对铂族金属的的影响
正如表1所提到的, 特定类型的燃料电池技术, 即碱、直接甲醇, 磷酸和质子交换膜都需要
使用铂金或其他白金集团的金属(PGM)催化剂。而对于该金属或族金属得大量选择，及其使
用比例, 都精确依赖于技术和燃料利用。然而, 如果这些技术中的任何一个得到大规模的商业
成功, 它都将会为铂金属类催化剂提供一个有利可图的新的具体应用。
已经有许多对于贵重金属消费量的定量尝试，最近的一项研究显示与一个全球性的市场
200吨每年的消费量对比，电池领域在2010年铂金的消费量是15。然而, 这依然非常困难, 甚
至是不可能的去准确预测，关于产生每千瓦电能对铂金属需求量的科技的发展和燃料电池作
为单独的部门进入市场的占有率。因而坚持去了解被期望的铂金属的准确需求量是十分重要
的
美国能源部已制定其目标，如果燃料电池技术能商业化，则将必须去满足每辆车对铂金
的需求。他们将许多不同行业的评论员的意见聚集在一起后，从长远的负担考虑得出每辆发
-1动机功率被定格为75kw 时的汽车需要10g 的铂金属是很合理的，也就是0·13克Pt/kW 。一
个图表，可以很合理被利用去显示一个从长远考虑的质子交换膜燃料电池对白金的使用量。
相比之下, 反应更困难的直接甲醇电池技术将会需要10倍量的铂金去产生一千瓦的电能。
看着燃料电池的潜在应用前景以及这些应用在销售数量上的增加(比如说10%的当前市
场), 很清楚地表明的最重要的市场应该来源于对燃料电池在低环境污染汽车上的应用和其
最值得去监测的铂金属作为新资源的长期潜在的需求市场。
八、总结
燃料电池是在大范围的能量中产生电、热的一种非常灵活的，在许多不同的应用中具有
潜能的技术。对于各种各样的特殊的燃料电池技术应被确保他们至少能在某些市场获得成功,
尽管商业发展还处于相对早期的阶段。
对于各种类型的燃料电池, 尤其是许多利用低温度技术的燃料电池都利用铂金去作为电
极催化剂得关键组成。其中, 质子交换膜燃料电池的似乎是应用范围最广的, 并且应该在这些
新颖的应用中主要地决定对铂金的需求。
展望对铂金的需求是极其困难的，其关键因素包括市场渗透的程度，科技发展的速度的
提高，以及一次性产品的再循环得以利用的数量。总的来说, 这个新兴产业正在取得进展，
以及未来几年的发展将使得铂族金属工业的影响规模更被了解。
参考文献：
[1]ANON: Cellular News, 30 July 2003.
[2]C. K. DYER. fuel cells for portable applications[J]. Power Sources, 2002, 106:
31–34.
[3]C. HANDLEY, N. P. BRANDON and R. VAN DER WORST.Impact of the European Union
vehicle waste directive on end-of-life options for polymer electrolyte fuel cells[J].
Power Sources, 2002, 106:344–352.
[4]C. JAFFRAY and G. HARDS.Precious metal requirements.(eds. W. Vielstich, A. Lamm
and H. Gasteiger), Handbook of fuel cells: fundamentals, technology and
applications[J]. Chichester, John Wiley,2003,3:509–513.
[5]O. MANYATHI: Mining Weekly, 23 January 2004.
[6]M. RONCHETTI and A. IACOBAZZI.Celle a combustibile: stato di sviluppo e
prospettive della tecnologia[J].Italy, ENEA 2002,16.
[7]B. SORENSEN et al.Hydrogen as an energy carrier:scenarios for future use of
hydrogen in the Danish energy system[J].Int. J. Hydrogen Energy, 2004, 29:23–32.
[8]V. VAITHEESWARAN.Power to the people: how the coming energy revolution will
transform an industry,change our lives and maybe even save the planet[J] New York,
Farrar Straus Giroux,2003 : 1–228.