俄罗斯燃料电池研发现状

质子交换膜燃料电池（PEMFC）又称为固体高分子燃料电池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell，），是一种中低功率的以氢为燃料的燃料电池。在能源短缺的国家，例如日本，对这种燃料电池的研发极为重视，其中作为固定式燃料电池发电装置已经进入大规模实证示范运行阶段，预计将成为未来家庭的热电联合供应装置，其前景极其广阔。另一方面，中功率质子交换膜燃料电池（50kW-90kW）可用于新型车用动力，也是极有前途的动力装置。不过，也存在着许多亟待解决的课题，而且研制开发费用昂贵。

自前苏联解体以后，俄罗斯经历了经济体制转轨的重大调整时期，在经济全球化背景下，西方发达工业国对俄罗斯燃料电池的研究与开发，在一定范围内试图通过合作，首先提供经费以支持民用新一代燃料电池发电装置的研发，构建了称为“国际科学技术中心（ICST）”，由美、欧、日、加拿大等国资助。能否取得“多赢”或“双赢”的协同效应，正有待今后发展进程来证实。

由于俄罗斯仍具有巨大的科研潜力，可望俄罗斯在燃料电池研发方面将对人类作出应有贡献。

俄罗斯燃料电池研发状况

据报道，原苏联解体以前，俄罗斯燃料电池研发集中于碱性燃料电池（AFC）。其最为典型事例就是俄罗斯宇宙飞船搭载的10kW Photon（光子）燃料电池。根据宇宙开发与军事技术预算进行开发，其中部分也考虑转换到民用项目。随着苏联解体，俄罗斯的研发费用受到经济不景气的影响，不仅仅燃料电池研发经费奇缺，整个科研经费大幅下降。

迄止2006年底的统计与文献资料显示，俄罗斯的燃料电池研发资金的供应尚很难说已经畅通。可以从以下几个方面来看：

·尚没有燃料电池及燃料电池应用的有关发电设备的开发与制造的国家项目规划。

·俄罗斯的国家资金未向燃料电池领域的基础研究与应用研究领域（以前则包含在火箭与宇宙开发计划中）。

·燃料电池及发电设备制造行业的基础薄弱。

·民营企业资金未向燃料电池基础性研究、应用研究投入。

·国家尚未公布资源环境保护与节能技术开发的支持政策。

在这种状况下，有关现在燃料电池的研究开发资金主要通过以下两个渠道获得。一个是1994年3月正式运作的国际科学技术中心（ISTC：International Science and Technology Center）；另一个俄罗斯矿山公司MMC Norilsk。

1.国际科学技术中心（1STC）

国际科学技术中心设立于1992年，1994年3月正式投入运作，它是根据政府间协定而设立的国际组织。其设立的目的，是为原苏联军事领域的研究开发人员提供从事和平目的的就业机会，并向市场经济过渡该国的提供支持。资金提供国家来源于美国、欧盟、日本、加拿大（2005年加入）、挪威、韩国。总部设于莫斯科，2006年底统计供职人员约225人。

据2006年3月统计，自该机构成立以来为2274件科研项目提供总额7亿美元的预算。主要科研领域预算分别为：生物技术28%，包括废物处理的环保项目15%、物理科学12%，核反应堆10%，材科技术8%。

除了国家级的支持外，也有民营企业提供经费的合作项目。

2.Norilsk Nickel公司

Norilsk Nickel公司，其总公司位于莫斯科，镍及钯的产量位居世界首位（2003年市场份额），是一家颇有实力的矿山公司。2003年该公司与俄罗斯科学院签署了有关燃料电池与氢能基础与应用研究在3年中支付1.2亿美元的备忘录。为了推动该计划的实施，在俄罗斯科学院内设立有关氢能与燃料电池研究委员会。  其计划目标如下：

·氢能/燃料电池相关联的主要关键技术的研究、工程及制造能力的整备。

·为设计各种燃料电池应用的氢能发电系统，建立研究所与企业的共同合作的体制。

·确立利用民营资本推进氢能领域的研究开发的机制。

·有关燃料电池的市场分析

·对氢能/燃料电池各种可行性方案作出最优化选定

·培育拥有燃料电池发动机模块及燃料电池发电系统制造能力的企业。

·提出氢能供应的社会基础设施（如加氢站等方面）及燃料电池作为独立电源方面的建议方案。

·提出燃料电池及氢能研究开发有关国家预算的建议方案。

·有关氢能供应的基础设施建立/完善的法律规定、标准、法规的整备。

·有关氢能及氢能社会的普及性启蒙教育。

俄罗斯有关燃料电池及氢能主要的研究项目

1.采用酶的电极用非铂催化剂

莫斯科大学化学系及库尔恰托夫研究所共同实施的研究项目“固定酶型燃料电池/电解装置用非铂电极催化剂的开发”是考虑到铂催化剂昂贵价格及资源稀缺同时为避免燃料电池电极催化剂受到一氧化碳和硫化氢影响而中毒，因此研究燃料电池电极催化剂由原来白金（铂）改为酶作为催化剂。在自然界中，与氢分子氧化及其生成相关氢化酶对一氧化碳和硫化氢保持稳定状态。为了从特定的微生物生产氢化酶，必须依靠最新遗传工程及现代生物化学，目前其生产成本极高，但是预计随着大批量生产，其价格极有可能将下降到与制造洗涤剂所用的酶价格一样。

莫斯科大学从1970年代后半叶开始到1980年代初与弗鲁姆金电化学研究所（Frumkim Inslitute of Electrochemistry，现名为物理化学研究所：Institute of physical chemistry and Electrochemistry）共同开始研究在燃料电池催化剂中使用酶。库尔恰托夫研究所内设氢能与等离子研究所（Institute of Hydrogen Energy and plasma Technology IHE&PT）在20年中研究使用铂催化剂的质子交换膜燃料电池及电解装置。成功试制高效率铂催化剂，设计出1kW燃料电池及制氢能力为2m3/h的电解装置。

有关氢化酶的生物电化学催化剂的作用，并不是采用以前传统的生物化学方法，而是把重点集中于质子交换膜燃料电池用酶电极的研究。

该课题是在汽车用燃料电池所要求的工作温度（90℃）下确保生物催化剂功能。氢电极试制品由俄罗斯氢能与等离子研究所负责试验。

2.纳米碳技术

圣彼得堡工程技术大学（St. Petersburg State Technological Institute）化学系的研究人员分析了热处理对多分散碳材料“富拉林”碳黑（fullerene carbonblack）FS－4.2的电子传导率、空隙度、阻水性的影响。在富拉林碳黑中要考虑到燃料电池载体所必需的导电性与阻水性，使铂粒子的纳米团粒（Nano cluster）获得稳定化的作用。

当“富拉林”碳黑FS－4.2在加氮气氛下进行2000%高温热处理研究发现，富拉林结构遭到破坏，形成含有多数高活性细孔的高导电性石墨物质。

3.膜表面修饰

圣彼得堡工程技术大学化学系对构成质子交换膜燃料电池的膜－电极－双极板的“三合一”组件（MEA）的过碳氟磺酸盐离子交换膜（perfluorocarbon sulfonate in Memrane）MF-4SK I-催化剂层的形成作了以下方面研究：

·为使具有高吸附能力的复合碳材料有效吸附铂，进行了包括应用固定或可变电磁场的研究。

·应用石墨化的聚氧二唑（Polyoxy dazole）的复合气体扩散电极的制造。

·在离子交换膜上进行铂—碳的最优化涂层研究。内容包括催化剂组成、离聚物（10nomer）溶液、阻水剂、复合悬浮液喷雾、加热压力加工等。作为阻水剂，不使用电介质的氟树脂或有机硅化合物，而是使用含有富拉林（fullerene）的物质。

4.小型质子交换膜燃料电池系统的开发

作为国际科学技术研究中心（ISTC）的科研项目，进行了小功率质子交换膜燃料电池系统的开发。其目标就是完成包括燃料处理的3～5kW质子交换膜燃料电池系统的匹配并进行实证示范运行。以全俄实验物理学研究所（VNIIEF）牵头，全俄技术物理研究所、波列斯柯夫催化剂研究所、库尔恰托夫研究所、卡尔波夫物理化学研究所（Karpov Institute of Physical Chemistry）以及“国家企业（State Enterprise）”的“红星”与METIS共同进行该项目研发。另外，美国、欧盟及加拿大政府提供资金，并得到德国大学及企业的支持。

5.小型天然气重整器

质子交换膜燃料电池用的小型天然气重整器制氢的开发是1STC项目之一。由全俄实验物理研究所及波列斯科夫催化剂研究所共同进行。由日本及欧盟政府提供资金，并得到日本与欧盟有关企业的合作支持。

·5kW级质子交换膜燃料电池用天然气重整器制氢。

·重整器的容积效率：升功率约12kW，即12kW/L。

·应用阳极排气

6.小型低价的降低CO装置的开发

与上述研发项目并举进行的是由全俄实验物理研究所负责的降低一氧化碳气体的关键技术开发（这是因为从重整器制造氢燃料的过程中，可能会产生CO气体，而这种气体会使燃料电池电极上的催化剂中毒，从而降低燃料电池的性能，所以必须开发降低CO的装置）。

·用于5kW级质子交换膜燃料电池系统。

·重整器出口处的10%～15%的CO浓度降低到0.001%，即降低到10ppm，要求外形体积紧凑，成本低。

·转化反应、甲烷化过程，选择氧化用催化剂开发。

7.纳米复合物催化剂

全俄实验物理研究所同时还负责进行减少催化剂铂使用量的研究。

·5kW级重整器制氢试料样品用。

·开发贵金属含量低于0.3%的整体式催化装置，作为重整器用。

国际科学技术中心提案中的研究项目

加上上述研究项目，由国际科学技术中心（ISTC）主导的方案见附表。这些提案系由俄罗斯的有关研究机关提出，并由ISTC参加国提供资金支持，但当前尚未付诸实施的方案。