当燃料电池必将成为未来的能源之星

燃料电池必将成为未来的能源之星

燃料电池是一种电化学的发电装置。因为燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，不经过热机过程，因此其能量转换效5、上横梁和移动横梁上各有2只装置钳口用的钳口卡板率不受卡诺循环的限制，能量转化效率高（理论转化率可达100%，实际可达70%。）；它几乎不产生NOx和SOx的排放。而且，CO2的排放量也比常规发电厂减少40％以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府与大公司的重视，被认为是21世纪的洁净、高效的发电技术之一。

燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH“两个重大挑战是力学性能和工艺等）、熔融盐（NaCO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。

按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

图1 质子交换膜燃料电池工作原理示意图

图2 500kw质子交换膜燃料电池

早在1839年，威廉姆．格罗夫就试验成功了简单的燃料电池。但很可惜的是，西门子公司在1866年制成了第一台发电机，从而使模仿人型:100kg世界进入了蒸汽机时代。到了20世纪，对传统的蒸汽机系统研究后发现，该系统受到许多环节的约束，其效率很低，并且伴随着很严重的能源利用及环境污染问题。于是热人们的眼光重又集中到了燃料电池，开始对这种电化学能量转换装置重新进行评估，使燃料电池成了新的研究热点。

六十年代碱性燃料电池曾迅速发展并在航天领域得到应用。七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池和 固体氧化物燃料电池发展起来。九十年代以来，质子交换膜燃料电池（得到迅猛发展。美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项必须发展的技术之一，PEMFC是其中的重点发展项目。把燃料电池应用到汽车上是一个历史性的突破，它是靠燃料电池所发电来推动汽车运动的。目前，许多大的汽车公司都在致力于燃料电池汽车的研究开发上。这种电动汽车的最大好处是灵敏度高，不会因汽车尾气等造成环境污染。

图3 德国公司展出实用水平燃料电池

在CeBIT 2004上，德国Smart Fuel Cell AG发布了可与笔记本电脑等连接使用的燃料电池。目前已开始向合作企业供应，计划2005年内面向普通消费者销售。此次发表的产品体积比原来展出过的原型减小了35%。输出电压为12V，功率为25W。与内置电池一起使用，最大功率可以达到50W。

图4 福特福克斯燃料电池汽车示意图

燃料电池的众多优点吸引了广大的科技人员，各国都投入了大量的财力、人力来研制新型的燃料电池。目前，国外正在试运行100千瓦级第二代燃料电池发电站。日本已设计出用于旅馆、办公楼的千瓦的现场试验室，可供空调、照明等用电，发电效率为30%-40%，再加上余热的利用，总效率可达60%-80%。可见，燃料电池的应用面广，前景看好。

我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年6.各长度、气力单位、显示位数采取动态互换方式和1998年两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。目前，中科院大连化物所、中科院硅酸盐研究所、清华大学、上海交通大学、北京理工大学、北京富原公司、上海神力公司等等许多单位都在开发燃料电池。

目前，阻碍燃料电池推广应用的关键问题有成本高、寿命短、体积大等，归根结底还是技术问题。我们相信，随着材料科学和系统工程的不断发展，燃料电池必将成为未来的能源之星。(end)