燃料电池工作原理示意

　　21 世纪，能源与环境问题备受关注。传统的化石能源如石油等资源日渐枯竭，全球人类面临着能源危机;与此同时，其燃烧过程中会产生大量气体和其他污染物，这对环境及气候产生了破坏作用。正是由于能源资源的过度开发，以及大规模消耗，使得国际上对清洁和高效能源的需求不断增长。寻求一种可重复利用，对环境友好且能源转换效率高的新能源技术是急需解决的问题，新能源产业的研究也得到了各国政府大量的政策性扶持和财政支出。

　　燃料电池被认为是最有前景的环保电源和常规化石燃料的替代品，而且是在使用 H2 及 CH3OH、CH3CH2OH 等可再生能源方面重要的选择。作为一种具有巨大潜力的新能源，燃料电池是一种高效、清洁的发电装置，可以不断地通过外界输入燃料，将化学能直接转化成电能并持续向外供电，它还可以缓解能源危机、缓解电力建设、减小环境污染，并且是电力市场发展和国防安全等供电保障的需要，因此，有必要发展其应用。

　　19 世纪英国法官和科学家威廉·罗伯特·格罗夫的工作是燃料电池的起源，格罗夫进行的电解实验被人们称为燃枓电池的第一个装置。中国的燃料电池研究始于 1958 年，MCFC 的研究最早开始于原电子工业部天津电源研究所。20 世纪 70 年代，燃料电池在中国的研究曾在航天事业的推动下出现出第一次高潮，然而由于各种原因，许多研究在 20 世纪 70 年代末就止步不前了，这成为中国的燃料电池技术与世界先进水平差距较大的直接因素。20 世纪 90 年代初，迅速发展起来的民用燃料电池，推动了中国燃料电池的研究发展。

　　 燃料电池

　　燃料电池是一种不断输入燃料进行化学反应，将化学能直接转化为电能的装置 ，燃料通常为甲醇、乙醇、纯氢气、天然气及汽油等。

　　离子交换膜燃料电池中，以氢氧为燃料的电池最常见，通过特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳和水。这一过程的燃料廉价，化学反应不存在危险，二氧化碳排放量比一般方法低很多，生成的产物水无害，是一种低污染性的能源，这是现今其他动力来源望尘莫及的。目前，计算机和汽车企业开始着力于开发燃料电池以替代传统的电池电源，汽车领域中燃料电池的应用，已成为能源发展的必然趋势。

　　图 1 燃料电池工作原理示意

　　作为一种能量转化装置，燃料电池是按照原电池工作原理，直接将燃料和氧化剂中储存的化学能转化为电能，其反应实质是氧化还原反应，工作原理如图 1 所示。

　　燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路 4 部分组成，其阳极和阴极分别通入燃料气和氧气(空气)，阳极上燃料气放出电子，外电路传导电子到阴极并与氧化气结合生成离子，在电场作用下，离子通过电解质转移到阳极上再与燃料气进行反应，最后形成回路产生电。与此同时，因为燃料自身的反应及电池存在的内阻，燃料电池也要排出一定的热量，以保持电池恒定的工作温度。从外表上看像一个蓄电池，但实质上它不能「储电」而是一个「发电厂」。

　　其中，阴阳极不仅可以传导电子，还能作为氧化还原反应的催化剂。为便于反应气体的通入和产物的排出，两极往往采用多孔结构。电解质则主要起到传递离子和分离燃料气、氧化气的作用，一般情况下为致密结构。

　　燃料电池作为一个转换装置，仅仅是将存储于燃料物质中的化学能转换成电能。从原则上讲，只要接连不断地供给化学燃料，燃料电池就可以持续不断的发电，这是继核电、水力、火力之后的第 4 代发电技术。

　　燃料电池成为国内外企业的关注热点，这主要是源于它自身的优点：

　　能量转化效率高;

　　燃料选择范围广;

　　清洁、污染少;

　　噪声低;

　　比能量高、可靠性强;

　　负荷响应快，具有超强的适用能力。

　　尽管燃料电池拥有如此多吸引人的优势，可它在运行推广过程中仍然有一些不足，主要存在的问题是 ：

　　成本较高;

　　功率密度仍需提高;

　　燃料的存储;

　　对于环境毒性比较敏感;

　　有限的工作温度兼容性。

　　目前，应用得较多是质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是近些年快速发展起来的新一代燃料电池，具有较高的能量效率和能量密度、体积重量小、启动速度最快、运行安全可靠、应用最为广泛等优点，特别是在汽车方面应用较为深广，PEMFC 是正在开发的商用燃料电池。

　　而最早参与实际应用的燃料电池是碱性燃料电池(AFC)，在 Apollo 飞船中应用的 AFC 不仅为飞船提供了动力，还为宇航员提供了饮用水。其电解质主要是氢氧化钾/氢氧化钠水溶液，可以使用较为廉价的催化剂如铁、镍、银及一些金属氧化物代替贵金属催化剂(铂等)，因此材料成本较低。

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