1. 研究目的与意义（文献综述）

现代社会里面能源，作为现代工业文明的原动力，是支持当前世界经济发展的基本要素，而当前的能源系统，主要是以石油和煤炭为主的消耗性能源，在大量消费石油煤炭资源的同时，也产生大量的环境污染和能源短缺的问题，温室气体的大量排放，使得地球的气温不断升高，生态平衡严重地被破环，处于海洋中心的岛国也面临着被淹没的困境。燃料电池就是其中发展较为快速的，尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度比较低、能量转化效率高、而且对环境污染小，所以得到了广泛的关注。质子交换膜燃料电池以固体高分子材料作为电解质，以纯氢作为燃料，以空气为氧化剂。PEMFC作为最新一代的燃料电池，最初是在 60 年代初由美国通用电气公司提出来，并研制成功，将其作为辅助电源用于双子星座航天飞行，然而由于此电池当时采用的是聚苯乙烯酸膜在电池工作过程中发生了降解，它的化学稳定性及导电性均很差，并且催化剂铂的用量过高，达到每平方厘米几十毫克，成本昂贵，从而限制了PEMFC在空间领域的进一步发。进入 80 年代，美国杜邦公司在交换膜的研制中取得了突破性的进展，其研制的全氟化磺酸膜(NAFION膜)一方面提高了电池的性能，另一方面还解决了电池寿命短的问题。而加拿大Ballard公司采用立体化结构的概念，把电催化剂Pt用量降了 0.1~0.52/cmmg ，大大降低了电池的成本。进入 90年代后，对PEMFC的研发由政府主导逐渐转向商业主导，目前世界各大汽车公司，如福特，戴勒姆-克莱斯勒，丰田，本田等都在积极开发PEMFC系统动力车，并已具有一定规模的量产。此外，PEMFC还被应用于许多场合，例如水下机器人，宇宙飞船，航天飞机以及潜艇动力源等等。进入 20 世纪后，能源的短缺情况越来约严重，全球各地区资源分布不均衡加上油价高涨，促使发达国家进一步加强研发力度。2002 年，美国政府启动“自由汽车”计划，2003 年又启动“自由燃料”计划，资助燃料电池和氢能的研究开发，两个计划合计拨款 17 亿美元。日本则把燃料技术作为关系到国家存亡的技术予以高度重视，目前已建设了 10 多座不同制氢方式的加氢站，并在全国支持了 30 多套家庭用燃料电池热电联供发电系统的演示运行。同时，计划在 2010 年燃料电池车达到 5 万辆，到 2020 年达到 500 万辆。欧盟也高度重视燃料电池的技术，在第 6 欧盟框架中投入 25 亿欧元，支持氢能与燃料电池的开发。
放眼国内，PEMCF的研究起步于 90 年代初，整体的技术水平相对而言较落后，但是政府非常重视燃料电池的开发，为了赶超发达国家建立自己的燃料电池体系，科技部于 1997 年将燃料电池列为“九五”重大科技攻关和“863”计划中立项资助燃料电池研制，主要包括电动车重大专题和能源领域中的高温燃料电池。而在“十五”期间，进一步将电动汽车列为国家十二个重大科技专项之一，成立“863”电动汽车重大技术专项研究组，投入 24 亿元人民币，努力在电动汽车，混合动力汽车和燃料电池汽车技术上有突破发展。目前国内约有 60 多家研究所和公司从事该方向的研究，并取得了一定的成效，北京LN绿能公司与清华大学联合开发了 12 座PEMFC客车，上海力神公司与清华大学开发了燃料电池大巴，同济大学和上海力神公司又联合研制了以桑塔纳 3000 为基础的“超越二号”。加速燃料电池的研究，尽早实现燃料电池的商业化，对减少温室气体的排放，抑制温室效应的进一步加剧，保护地球的生态环境有着重大的意义。

2. 研究的基本内容与方案