摘要：本文討論了燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)和工作原理，介紹了燃料電池的分類(lèi)以及研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。

隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程的加快和自然資源的日益缺乏，人們逐漸認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式存在兩大弊?。阂皇莾?chǔ)存于燃料中的化學(xué)能，必須首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能，受卡諾循環(huán)以及現(xiàn)代材料的限制，所獲得的效率只有33～35％，一半以上的能量白白地?fù)p失掉了；二是傳統(tǒng)的能源利用方式，給今天人類(lèi)的生活環(huán)境造成了大量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。多年來(lái)，人們一直努力尋找既有較高能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式。燃料電池(Fuel Cell，FC)是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)器件，理論轉(zhuǎn)化率可達(dá)90％[1]，它具有高能量、高效率、不排放污染物或極少排放污染物的特點(diǎn)，是應(yīng)用前景十分廣闊的清潔能源。廣泛地利用燃料電池發(fā)電，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和可再生資源的有效利用具有重要意義。

1.燃料電池的基本概念及其優(yōu)缺點(diǎn)

燃料電池是由燃料電極(陰極)，氧化劑電極(陽(yáng)極)和電解質(zhì)構(gòu)成，它是一種基本的電化學(xué)裝置，是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)器件，其工作過(guò)程是通過(guò)燃料和氧化劑分別在兩個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)，由電解液和外電路構(gòu)成回路，將燃燒中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。

1．1 燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

(1)節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高燃料電池在額定功率下的效率可以達(dá)到60％，而在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到7 O％，在過(guò)載功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到5 0—5 5％。高效率隨功率變化的范圍很寬，？在低功率下運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，特別適合于汽車(chē)動(dòng)力性能的要求。而內(nèi)燃機(jī)只有在額定功率附近才有最高效率，如果在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，效率將會(huì)迅速降低。

燃料電池短時(shí)間的過(guò)載能力，可以達(dá)到額定功率的200％，非常適合汽車(chē)在加速和爬坡時(shí)動(dòng)力性能的特征。然而內(nèi)燃機(jī)過(guò)載能力低，在過(guò)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較容易“熄火”。

總上所述，燃料電池的節(jié)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)內(nèi)燃機(jī)，而且穩(wěn)定性和可靠性高于內(nèi)燃機(jī)。

(2)排放基本達(dá)到零污染

用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂系娜剂想姵刂饕晌镔|(zhì)為水、二氧化碳和一氧化碳

等，屬于“超低污染”，氫氧燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只有清潔的水。內(nèi)燃機(jī)排放的尾氣中含有大量對(duì)人體有害的氣體，盡管采取了各種各樣的機(jī)內(nèi)和機(jī)外的技術(shù)措施，仍達(dá)不到較理想的效果。由此可見(jiàn)，燃料電池幾乎沒(méi)有污染，較內(nèi)燃機(jī)環(huán)保。

(3)燃料電池工作時(shí)不產(chǎn)生噪音及機(jī)械震動(dòng)，且壽命較長(zhǎng)這主要與它的工作過(guò)程有關(guān)，它是通過(guò)燃料和氧化劑分別在兩個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)，由電解液和外電路構(gòu)成回路，將燃燒中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。所以在整個(gè)工作過(guò)程中，沒(méi)有噪音和機(jī)械震動(dòng)的產(chǎn)生，從而減少機(jī)械器件的磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)燃料電池的能量轉(zhuǎn)換是在靜態(tài)下完成的，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。構(gòu)件的加工精度要求比內(nèi)燃機(jī)低得多。特別是質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高，能夠在8 0℃的低溫條件下起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的耐熱性能要求也不高。由于無(wú)機(jī)械震動(dòng)，所以運(yùn)行時(shí)比較平穩(wěn)。

1．2 燃料電池的缺點(diǎn)

(1)燃料種類(lèi)單一

目前，不論是液態(tài)氫、氣態(tài)氫，還是碳水化合物經(jīng)過(guò)重整后轉(zhuǎn)換的氫，他們均是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、保管、運(yùn)輸和灌裝或重整，都比較復(fù)雜，對(duì)安全性要求很高。

(2)要求高質(zhì)量的密封

燃料電池的單體電池所能產(chǎn)生的電壓約為1 V，不同種類(lèi)的燃料電池的單體電池所能產(chǎn)生的電壓略有不同。通常將多個(gè)單體電池按使用電壓和電流的要求組合成為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)組，在組合時(shí)，單體電池間的電極連接時(shí)，必須要有嚴(yán)格的密封，因?yàn)槊芊獠涣嫉娜剂想姵?，氫氣?huì)泄漏到燃料電池的外面，降低了氫的利用率并嚴(yán)重影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，還會(huì)引起氫氣燃燒事故。由于要求嚴(yán)格的密封，使得燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝很復(fù)雜，并給使用和維護(hù)帶來(lái)很多困難。

(3)造價(jià)太高

目前質(zhì)子交換膜燃料電池是最有發(fā)展前途的燃料電池之一，但質(zhì)子交換膜燃料電池需要用貴金屬鉑(Pt)作為催化劑，其使用量要求達(dá)到0．卜0．2mg／cm3，目前用量要求達(dá)到0．5mg／cm 3，距離要求還較遠(yuǎn)。而且鉑(Pt)在反應(yīng)過(guò)程中受CO的作用會(huì)“中毒”而失效。鉑(Pt)的使用和鉑(Pt)的失效使質(zhì)子交換膜燃料電池的造價(jià)持高不下。

2.燃料電池的工作原理

燃料電池的發(fā)電原理與化學(xué)電源一樣，電極提供電子轉(zhuǎn)移的場(chǎng)所，陽(yáng)極催化燃料如氫的氧化過(guò)程，陰極催化氧化劑如氧的還原過(guò)程，導(dǎo)電離子在陰陽(yáng)極分開(kāi)的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過(guò)外電路做功并構(gòu)成電的回路。

但是燃料電池的工作方式又與常規(guī)的化學(xué)電源不同，更類(lèi)似于汽油、柴油燃料。燃料電池的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外的儲(chǔ)罐中。當(dāng)電池發(fā)電時(shí)，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)也要排除一定的廢熱，以維護(hù)電池工作溫度的恒定。燃料電池本身只決定輸出功率的大小，其儲(chǔ)存能量則由儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)的燃料與氧化劑的量決定【3】。

電池陰、陽(yáng)極及電池總反應(yīng)方程式如下：

3．燃料電池的分類(lèi)

3．1 按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分

根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。例如磷酸燃料電池(PAFC)和液態(tài)氫氧化鉀燃料電池(LPHFC)。

3．2按電解質(zhì)種類(lèi)分

根據(jù)燃料電池中使用電解質(zhì)種類(lèi)的不同，可分為酸性、堿性、熔融鹽類(lèi)或固體電解質(zhì)的燃料電池。即堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。在燃料電池中，磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以冷起動(dòng)和快起動(dòng)，可以用作為移動(dòng)電源，適應(yīng)燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)使用的要求，更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。

3．3 按燃料類(lèi)型分

燃料電池的燃料有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料和汽油、柴油以及天然氣等氣體燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過(guò)重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。根據(jù)燃料電池使用燃料類(lèi)型的不同，可分為直接型燃料電池、間接型燃料電池和再生型燃料電池。

3．4按工作溫度分

根據(jù)燃料電池工作溫度的不同，可分為低溫型，溫度低于200℃；中溫型，溫度為200-750℃；高溫型，溫度高于750℃。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在常溫下可以正常工作，這類(lèi)燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑，燃料的化學(xué)能絕大部分都能轉(zhuǎn)化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。熔融碳酸鹽燃料電池(M C F C)和固體氧化物燃料電池(SOFC)在高溫下工作，這類(lèi)燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復(fù)合廢熱回收裝置來(lái)利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合應(yīng)用于大功率的發(fā)電廠中。

3．5微生物燃料電池

微生物燃料電池是利用電池的陽(yáng)極來(lái)代替氧或硝酸鹽等天然的電子受體，通過(guò)電子的不斷轉(zhuǎn)移來(lái)產(chǎn)生電能。微生物氧化燃料所生成的電子通過(guò)細(xì)胞膜相關(guān)連組分或者通過(guò)氧化還原介體傳遞給陽(yáng)極，再經(jīng)過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極區(qū)電子將電子受體(如氧) 還原，然后透過(guò)質(zhì)子交換膜(PEM)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的質(zhì)子結(jié)合生成水。

目前，研究工作者已在微生物燃料電池設(shè)計(jì)和提高輸出功率方面取得了較大進(jìn)展，得到了最大輸出功率413WPm2和庫(kù)侖效率89％的顯著成績(jī)，并在降低電極和PEM等材料的成本、設(shè)計(jì)無(wú)介體無(wú)膜系統(tǒng)、提高系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行連續(xù)性等方面也取得了可喜地進(jìn)展。但要實(shí)現(xiàn)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)換仍面臨不少難題[4]。

4.燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年全球擁有50萬(wàn)個(gè)固定的(靜止式)燃料電池裝置，到201 0年，將有2 50萬(wàn)戶(hù)家庭使用燃料電池，同時(shí)全球擁有6 0萬(wàn)臺(tái)燃料電池汽車(chē)，占世界汽車(chē)生產(chǎn)量的1％。2005年，從事燃料電池開(kāi)發(fā)的公司總投資額已超過(guò)10億美元。預(yù)計(jì)到2010年左右，‘燃料電池在價(jià)格上將具備與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的能力。屆時(shí)，美國(guó)市場(chǎng)上以燃料電池為動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車(chē)將占美國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)4％的份額，日本和西歐燃料電池汽車(chē)將分別占市場(chǎng)份額的4．5％和3．7％。到2020年，燃料電池汽車(chē)將占世界汽車(chē)市場(chǎng)的25％。

據(jù)估計(jì)，全球燃料電池市場(chǎng)到2011年將達(dá)到3 50億美元，201 3年將達(dá)3 80億美元。靜止式燃料電池市場(chǎng)將從2008年20億美元增大到201 3年1 00億美元，便攜式燃料電池市場(chǎng)20 1 3年將達(dá)2 50億美元，汽車(chē)燃料電池市場(chǎng)將從2008年6億美元增大到20l 3年100億美元。

燃料電池由于具有節(jié)能、高效、潔凈、功率密度高及模塊化結(jié)構(gòu)等突出的特點(diǎn)，這決定了它在固定發(fā)電系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)用電源、分布式電源、空間飛行器電源及交通工具用電源方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

4．1 軍事上的應(yīng)用

軍事應(yīng)用應(yīng)該是燃料電池最主要，也是最適合的市場(chǎng)。高效， 多面性， 使用時(shí)間長(zhǎng)，以及寧?kù)o的工作環(huán)境，這些特點(diǎn)極適合于軍事工作對(duì)電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)作為絕大多數(shù)軍事裝置一一一從戰(zhàn)場(chǎng)上的移動(dòng)手提裝備到海陸運(yùn)輸提供動(dòng)力。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無(wú)人潛艇提供動(dòng)力[6]。

4．2 固定電站和分散式電站上的應(yīng)用

燃料電池用于大型電站和分散式電站，可以顯著提高發(fā)電效率。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有可能對(duì)改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)、能源的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備和國(guó)家安全等具有重要意義。所以應(yīng)加大燃料電池在固定以及分散式電站上投資力度。

4．3儀器和通訊設(shè)備電源的應(yīng)用

當(dāng)今社會(huì)，越來(lái)越多的便攜式電子產(chǎn)品影響著人們的生活，人們已經(jīng)離不開(kāi)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等電子產(chǎn)品，然而這些電子產(chǎn)品存在的主要難題就是電源問(wèn)題，電源壽命短，且電池維持的時(shí)間也短。燃料電池正好克服了這一缺陷。因此，東芝、IBM、NEC等世界著名企業(yè)正投巨資研發(fā)燃料電池。

4．4交通運(yùn)輸上的應(yīng)用

目前，城市的空氣污染主要來(lái)源于車(chē)輛排放的尾氣，而燃料電池車(chē)在行使過(guò)程中無(wú)污染物或極少排出污染物，無(wú)機(jī)械噪音。只要燃料供應(yīng)充足，車(chē)輛行駛的里程是不受限制的。所以燃料電池車(chē)的發(fā)展勢(shì)在必行。汽車(chē)生產(chǎn)商戴姆勒一克萊斯勒公司、福特汽車(chē)公司、現(xiàn)代汽車(chē)公司、大眾汽車(chē)公司等都紛紛聯(lián)手開(kāi)發(fā)燃料電池和燃料電池汽車(chē)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今全球能源危機(jī)、油價(jià)高漲，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之

急。燃料電池的節(jié)能、高效、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)等諸多特點(diǎn)，是眾多替代品中的首選。目前，燃料電池的發(fā)展得到各國(guó)政府的大力支持，技術(shù)上有較大突破，但造價(jià)昂貴一直是燃料電池商業(yè)化的最大障礙。因此，降低造價(jià)是燃料電池研究攻關(guān)的重點(diǎn)。相信在廣大科研工作者的共同努力下，燃料電池的商業(yè)化將不會(huì)太遙遠(yuǎn)。

（轉(zhuǎn)載）