潜能无限的燃料电池

虽然燃料电池这个名词出现在人们眼前的时间并不长，但它的历史已经可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer两位化学家想用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置，“燃料电池”一词也就随着他们的发明而诞生了。现代燃料电池技术兴起于20世纪60年代，为了给航天飞机寻找高效能的电能装置，美国宇航局跟GE公司合作开发了第一个现代意义上的燃料电池—质子交换膜燃料电池，这也是燃料电池商用化的开始。此后，历经40多年的发展，燃料电池的家族越发的人丁兴旺，而应用领域也遍及各处。

燃料电池的原理和特点

燃料电池是靠氢氧结合成水的反应来发电的，因而不会产生氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（HC）等易对空气造成污染的物质。它由三部分组成：阴极、阳极和电解液，根据电解液的不同，可以分为熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固态氧化物型燃料电池(SOFC) 、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）五大类型。

燃料电池有着几个独特的性质：

1 燃料电池在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。

2 燃料电池所能够产生的电能只和燃料的供应有关，只要供给燃料就可以产生电能，其放电是连续进行的。

3 燃料电池本体的质量和体积并不大，但需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备才能获得氢气，而这些燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备的质量和体积远远超过燃料电池本身。

常见的燃料电池

·质子交换膜燃料电池（PEMFC）

在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和质子能够渗透但不导电的NafionTM ，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。同时，以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。

·碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子先为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。

·磷酸燃料电池（PAFC）

这种电池使用液体磷酸为电解质，其工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150～200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

·熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池采用熔化的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。

·固态氧化物燃料电池（SOFC）

固态氧化物燃料电池工作温度比熔化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，使用了诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于800～1000℃之间。

在这种燃料电池中，当氧阳离子从阴极移动到阳极，使氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。

开发状况

因为能源和环保的考虑，各国和地区都在加紧开发自己的燃料电池计划。但是因为国情不同，侧重点也大不相同。

燃料电池被定为美国的27项必须发展技术之一，而质子交换膜燃料电池更是其中的重点。为此，美国政府成立了氢、燃料电池和基础设施技术办公室。同时，美国的企业和各种投资基金也都对燃料电池项目给予了很大的投入。


日本对燃料电池的热情不亚于美国，政府对该技术的投入也在逐年提高。日本已开发了好几种燃料电池供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（PAFC）已达到“电站”阶段。同时，还有为数不少的小型燃料电池发电装置被应用于医院、饭店、宾馆中。


欧盟在过去10年中，通过框架计划对汽车业和燃料电池技术开发提供了大量研发支持。欧盟还越来越热衷于燃料电池车示范项目，但不像美日那样高度重视客车的示范，而把重点放在大量运输应用上。


中国车用燃料电池研究已经有了良好的开端。 “十五”期间，电动汽车在国家863计划中列项，并被确定为国家12个重大科技专项之一。中国还与全球环境基金/联合国发展计划署建立燃料电池合作项目，共同提供约1.98万美元的资金支持。经过科技攻关，目前已研制出几十个100kW级以上的燃料电池，对整车动力系统的改进起到积极的推动作用。

结语


世界上第一座 SOFC/燃机混合系统在尔湾市加利福尼亚大学的美国国家燃料电池研究中心运行着。该系统总功率为220kW，其中200kW来自SOFC。这一系统的研制、运行不但给燃料的发开注入了一针强心剂，也给日益面临能源问题困扰的世界提供了一个崭新的解决思路。