燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史應(yīng)該起源于20世紀(jì)60年代初期。當(dāng)時，美國的國家航空和宇宙航行局（NASA）正計劃進行一系列無人航天飛行。由于使用干電池較重，太陽能價格昂貴，而核能又太危險，NASA正探索為其提供動力的解決方案。燃料電池通過氧與氫結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電，吸引了許多人的視線，NASA便資助了一系列的研究合同，從事開發(fā)實用燃料電池的設(shè)計。

盡管燃料電池在空間應(yīng)用方面獲得了令人感興趣的發(fā)展，但大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)卻存在著許多障礙。1973年的石油禁運引發(fā)了人們對燃料電池動力在地面應(yīng)用的重新興趣，因為許多政府期望降低對石油進口的依賴性。最后，直到20世紀(jì)90年代，也就是Grove于1839年最初所進行的電解實驗（使用電將水分解成氫和氧）之后的150多年，一種廉價的，清潔的，可再生的能源最終變成了事實。

1、燃料電池的種類

（1）燃料電池技術(shù)

燃料電池通過氧與氫結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。它的種類可以多種多樣，但都基于一個基本的設(shè)計，即它們都含有二個電極，一個負陽極和一個正陰極。這二個電極被一個位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開。在電極上，催化劑，例如白金，常用來加速電化學(xué)反應(yīng)。

燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。本文后面的部分將以質(zhì)子交換膜燃料電池為例介紹燃料電池概念的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，同時也討論一些其它主要設(shè)計的特點和應(yīng)用。

（2）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

該技術(shù)是General Electric公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，用來取代原來使用的內(nèi)燃機。質(zhì)子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質(zhì)膜，或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和質(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極，裂解成氫離子（質(zhì)子）和電子。氫離子通過電解質(zhì)滲透到陰極，而電子通過外部網(wǎng)路流動，提供電力。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰極，與電子和氫離子結(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下：

陽極：2 H2 → 4 H+ + 4e-
陰極：O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O
整體：2 H2 + O2 → 2 H2O + 能量

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。

這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個場流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個板上都有溝槽，將燃料引導(dǎo)到電極上，也能通過膜電極裝配導(dǎo)電。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。

質(zhì)子交換膜燃料電池擁有許多特點，因此成為汽車和家庭應(yīng)用的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴寒條件下迅速啟動。其電力密度較高，因此其體積相對較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40-50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。

目前，能產(chǎn)生50kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產(chǎn)生高達250kW的裝置也正在開發(fā)。當(dāng)然，要想使該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本，因為膜材料和催化劑均十分昂貴。不過人們進行的研究正在不斷地降低成本，一旦能夠大規(guī)模生產(chǎn)，比價的經(jīng)濟效益將會充分顯示出來。

另一個大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作，因為它們極易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染。這主要是因為它們在低溫條件下工作時，必需使用高銘感的催化劑。當(dāng)它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時，必須產(chǎn)生更易耐受的催化劑系統(tǒng)才能工作。

（3）堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水。

堿性燃料電池的設(shè)計基本與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學(xué)反應(yīng)也與羥基（OH）從陰極移動到陽極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)生成更多的羥基離子。

陽極反應(yīng)：2 H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-
陰極反應(yīng)：O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-

堿性燃料電池的工作溫度與質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度相似，大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質(zhì)也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。

（4）磷酸燃料電池（PAFC）

磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。

較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。

磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池是乎將來也不會用于私人車輛。在過去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料電池能成功地用語固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學(xué)校和小型電站提供動力。

（5）溶化的碳酸鹽燃料電池 (MCFC)

溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650℃時，這種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。

陽極反應(yīng)：CO32- + H2 → H2O + CO2 + 2 e-
陰極反應(yīng)：CO2 + 1/2 O2 + 2 e- → CO32-

這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳氫化合物，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。在這樣高的溫度下，盡管硫仍然是一個問題，而一氧化碳污染卻不是問題了，且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達60%。如果其浪費的熱量能夠加以利用，其潛在的效率可高達80%。

不過，高溫也會帶來一些問題。這種電池需要較長的時間方能達到工作溫度，因此不能用于交通運輸，其電解質(zhì)的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(fā)電效率對于大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機則具有較大的吸引力。目前的示范電池可產(chǎn)生高達2MW的電力，50-100MW容量的電力設(shè)計業(yè)已提到議事日程。

（6）固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）

固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，而不用使用液體電解質(zhì)。其工作溫度位于800-1000℃之間。

在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽向離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進入的氧，從而完成循環(huán)。

陽極反應(yīng)：H2 + O2- → H2O + 2e-
CO + O2- → CO2 + 2e-
陰極反應(yīng): O2 + 4e- → 2 O2-

對于溶化的碳酸鹽燃料電池而言，高溫意即這種電池能抵御一氧化碳的污染，正如上式顯示的那樣，一氧化碳會隨時氧化成二氧化碳。這便省卻了外部重整從燃料中提取氫，而且這種電池還可以再直接使用石油或天然氣。固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，然而它們用來承受所產(chǎn)生的高溫的建造材料卻要昂貴得多。

固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時也具有為車輛提供備用動力的潛力。

（7）直接甲醇燃料電池（DMFC）

直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反應(yīng)。

陽極反應(yīng)：CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
陰極反應(yīng)：3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O
電池反應(yīng)：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2 H2O

這種電池的期望工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進行重整便能工作而相形見拙。直接甲醇燃料電池使用的技術(shù)仍處于其發(fā)展的早期，但已成功地顯示出可以用作移動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力。

（7）再生型燃料電池（RFC）

再生型燃料電池的概念相對較新，但全球有許多研究小組正在從事這方面的工作。這一技術(shù)與普通燃料電池的相同之處在于它也用氫和氧來生成電、熱和水。其不同的地方是它還進行逆反映，也就是電解。燃料電池中生成的水再送回到以太陽能為動力的電解池中，在那兒分解成氫和氧組分，然后這種組分再送回到燃料電池。這種方法就構(gòu)成了一個封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫。目前，商業(yè)化開發(fā)業(yè)已走了一段路程，但仍有許多問題尚待解決，例如成本，進一步改進太陽能利用的穩(wěn)定性等問題。

2、燃料電池的應(yīng)用與使用

（1）軍事應(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。高效，多面性，使用時間長，以及寧靜的工作，這些特點極適合于軍事工作對電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸提供動力。在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應(yīng)。此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。

同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。自20世紀(jì)80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。

（2）移動裝置

伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動電器的主要能源。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點，比常規(guī)電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。

如果要使燃料電池能在膝上型電腦，移動電話和攝錄影機等設(shè)備中應(yīng)用，其工作溫度，燃料的可用性，以及快速激活將成為人們考慮的主要參數(shù)，目前大多數(shù)研究工作均集中在對低溫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池的改進。正如其名稱所示，這些燃料電池以直接提供的甲醇-水混合物為基礎(chǔ)工作，不需要預(yù)先重整。

使用甲醇，直接甲醇燃料電池要比固體電池具有極大的優(yōu)越性。其充電僅僅涉及重新添加液體燃料，不需要長時間地將電源插頭插在外部的供電電源上。當(dāng)前，這種燃料電池的缺點是用來在低溫下生成氫所需的白金催化劑的成本比較昂貴，其電力密度較低。如果這二個問題能夠解決，應(yīng)該說沒有什麼問題能阻擋它們的廣泛應(yīng)用了。目前，美國正在試驗以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，而德國則在實驗以這種能源為動力的膝上型電腦。

（3）家庭應(yīng)用

對于固定應(yīng)用而言，設(shè)計燃料電池的技術(shù)困難就簡化得多了。盡管許多燃料電池能生產(chǎn)50kW的電能，但絕大部分商業(yè)化的燃料電池目前都是用于固定的�，F(xiàn)在，許多跡象表明，燃料電池也可用語人們稱做的居民應(yīng)用（大都小于50kW）。

低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池幾乎可以滿足私人居戶和小型企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能供小型的應(yīng)用，美國，日本和德國僅有少量的家庭用質(zhì)子交換膜燃料電池提供能源。質(zhì)子交換膜燃料電池的能源密度比磷酸燃料電池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生產(chǎn)成本也比前者便宜。這些燃料電池應(yīng)該能夠為單個私人居戶或幾家居戶提供能源，通過設(shè)計可以滿足居民對能源的所有要求，或者是他們的基本負載，高峰時的需求由電力網(wǎng)提供。

為了有利于該技術(shù)的應(yīng)用，可以用天然氣銷售網(wǎng)作為氫燃料源。當(dāng)前，許多生產(chǎn)商預(yù)測在不久的將來便會出現(xiàn)其它燃料源泉，這有助于進一步降低排放，加速燃料電池進入新的理想市場。新近進入固定燃料電池市場的廠家是汽車大亨General Motors，她于2001年8月成功地開發(fā)了一種產(chǎn)品。

（4）空間領(lǐng)域

在20世紀(jì)50年代后期和60年代初期，美國政府為了替其載人航天飛行尋找安全可靠的能源，對燃料電池的研究給于了極大的關(guān)心和資助，使燃料電池取得了長足的進步。重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無震動，并能生產(chǎn)飲用水，所有這些優(yōu)點均是其它能源不可比擬的。General Electric生產(chǎn)的Grubb-Niedrach燃料電池是NASA用來為其Gemini航天項目提供動力的第一個燃料電池，也是第一次商業(yè)化使用燃料電池。

從20世紀(jì)60年代起，飛機制造商Pratt & Whitney贏得了為阿波羅項目提供燃料電池的合同。Pratt & Whitney生產(chǎn)的燃料電池是基于對Bacon專利的堿性燃料電池的改進，這種低溫燃料電池是最有效的燃料電池。在阿波羅飛船中，三組電池可產(chǎn)生1.5kW或2.2 kW電力，并行工作，可供飛船短期飛行。每組電池重約114kg，裝填有低溫氫和氧。在18次飛行中，這種電池共工作10，000小時，未發(fā)生一次飛行故障。

在20世紀(jì)80年代航天飛機開始飛行時，Pratt & Whitney的姊妹公司國際燃料電池公司繼續(xù)為NASA提供航天飛機使用的堿性燃料電池。飛船上所有的電力需求由3組12kW的燃料電池存儲器提供，勿需備用電池。國際燃料電池公司技術(shù)的進一步發(fā)展使每個飛船上使用的燃料電池存儲器能提供約等于阿波羅飛船上同體積的燃料電池十倍的電力。以低溫氫和氧為燃料，這種電池的效率為70%左右，在截至現(xiàn)在的100多次飛行中，這種電池共工作了80，000多個小時。

（5）固定應(yīng)用

目前，燃料電池開發(fā)得最完善的市場要數(shù)熱電的固定提供源市場。與傳統(tǒng)的礦物燃料相比，燃料電池的高效和低排放量使其對用戶具有極大的吸引力。此外，燃料電池技術(shù)的獨立性對于那些國家電網(wǎng)不能覆蓋，或國家電網(wǎng)不夠穩(wěn)定而需要備用電力設(shè)備的地區(qū)而言，這種能源具有特殊的意義。鑒于這種電池的工作溫度可低達80℃，它們可安裝在私人家庭，小型的商業(yè)活動場所，甚至滿足大型企業(yè)活動的所有能源需求。

截至目前為止，可以說現(xiàn)在的燃料電池生產(chǎn)商的注意力均集中于非居民的應(yīng)用。當(dāng)前唯一提供商業(yè)化燃料電池的國際燃料電池公司已在學(xué)校、辦公室和銀行設(shè)施安裝了200多個磷酸燃料電池裝置。在不久的將來，諸如溶化的碳酸鹽燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池等高溫燃料電池也將用于大型的工業(yè)設(shè)施和兆瓦級的發(fā)電廠。當(dāng)工作溫度上升到600-1100℃時，這種高溫燃料電池可以耐受氫污染源，因此可以使用未加重整的天然氣，柴油，或汽油。此外，它們所產(chǎn)生的熱能還可用來驅(qū)動增器蒸氣氣輪機再進行發(fā)電。

（6）運輸應(yīng)用

當(dāng)前，以內(nèi)燃機提供動力的汽車已成為有害氣體排放的主要排放源。在世界各地，國家和地方機構(gòu)都在立法強迫汽車制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車輛，燃料電池可為這種要求帶來實質(zhì)的機遇。位于Alberta的Pembina適當(dāng)設(shè)計研究所指出：當(dāng)一輛小車使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內(nèi)燃機時，其二氧化碳的排放量可以減少高達72%。然而，如果用燃料電池代替內(nèi)燃機，燃料電池技術(shù)不僅要符合立法對車輛排放的嚴格要求，還要能對終端用戶提供同樣方便靈活的運輸解決方案。驅(qū)動車輛的燃料電池必須能迅速地達到工作溫度，具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，并能提供穩(wěn)定的性能。

應(yīng)該說質(zhì)子交換膜燃料電池最有條件滿足這些要求，其工作溫度交低，80℃左右，它們能很快地達到所需的溫度。由于能迅速地適應(yīng)各種不同的需求，與內(nèi)燃機的效率25%左右相比，它們的效率可高達60%。

Pembina研究所近來的研究表明，以甲醇為燃料的燃料電池，其燃料利用率是用汽油內(nèi)燃機提供動力的車輛的1.76倍。在現(xiàn)有的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池的電力密度最大。當(dāng)人們在車輛設(shè)計中重點考慮空間最大化時，這一因素則至關(guān)重要。另外，固態(tài)聚合物電解質(zhì)能有助于減少潛在的腐蝕和安全管理問題。唯一的潛在問題是燃料的質(zhì)量，為了避免在如此低溫催化劑受到污染，質(zhì)子交換膜燃料電池必須使用沒污染的氫燃料。

現(xiàn)在，大多數(shù)車輛生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機的后繼者，General Motors、Ford、DaimlerChrysler、Toyota、 Honda以及其他許多公司都已生產(chǎn)出使用該技術(shù)的原型。在這一進程中，運用不同車輛和使用不同地區(qū)的試驗進展順利，用質(zhì)子交換膜燃料電池為公共汽車提供動力的試驗已在溫哥華和芝加哥取得成功。

在生產(chǎn)商能夠有效地，大規(guī)模地生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池之前，需要解決的主要問題包括生產(chǎn)成本，燃料質(zhì)量，以及電池的體積。但愿技術(shù)的進一步發(fā)展和擴大生產(chǎn)的共同作用將會運用經(jīng)濟的規(guī)模性而降低生產(chǎn)成本。目前，人們也在對直接使用甲醇為燃料和從環(huán)境空氣中取得氧的另一解決方案進行研究，它也可以避免燃料的重整過程。

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