21世紀(jì)，能源與環(huán)境問題備受關(guān)注。傳統(tǒng)的化石能源如石油等資源日漸枯竭，全球人類面臨著能源危機(jī);與此同時(shí)，其燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣體和其他污染物，這對(duì)環(huán)境及氣候產(chǎn)生了破壞作用。正是由于能源資源的過度開發(fā)，以及大規(guī)模消耗，使得國際上對(duì)清潔和高效能源的需求不斷增長。尋求一種可重復(fù)利用，對(duì)環(huán)境友好且能源轉(zhuǎn)換效率高的新能源技術(shù)是急需解決的問題，新能源產(chǎn)業(yè)的研究也得到了各國政府大量的政策性扶持和財(cái)政支出。

燃料電池被認(rèn)為是最有前景的環(huán)保電源和常規(guī)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選擇。作為一種具有巨大潛力的新能源，燃料電池是一種高效、清潔的發(fā)電裝置，可以不斷地通過外界輸入燃料，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能并持續(xù)向外供電，它還可以緩解能源危機(jī)、緩解電力建設(shè)、減小環(huán)境污染，并且是電力市場(chǎng)發(fā)展和特種安全等供電保障的需要，因此，有必要發(fā)展其應(yīng)用。

19世紀(jì)英國法官和科學(xué)家威廉·羅伯特·格羅夫的工作是燃料電池的起源，格羅夫進(jìn)行的電解實(shí)驗(yàn)被人們稱為燃枓電池的第一個(gè)裝置。中國的燃料電池研究始于1958年，MCFC的研究最早開始于原電子工業(yè)部天津電源研究所。20世紀(jì)70年代，燃料電池在中國的研究曾在航天事業(yè)的推動(dòng)下出現(xiàn)出第一次高潮，然而由于各種原因，許多研究在20世紀(jì)70年代末就止步不前了，這成為中國的燃料電池技術(shù)與世界先進(jìn)水平差距較大的直接因素。20世紀(jì)90年代初，迅速發(fā)展起來的民用燃料電池，推動(dòng)了中國燃料電池的研究發(fā)展。

燃料電池

燃料電池是一種不斷輸入燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，燃料通常為甲醇、乙醇、純氫氣、天然氣及汽油等。

離子交換膜燃料電池中，以氫氧為燃料的電池最常見，通過特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和水。這一過程的燃料廉價(jià)，化學(xué)反應(yīng)不存在危險(xiǎn)，二氧化碳排放量比一般方法低很多，生成的產(chǎn)物水無害，是一種低污染性的能源，這是現(xiàn)今其他動(dòng)力來源望塵莫及的。目前，計(jì)算機(jī)和汽車企業(yè)開始著力于開發(fā)燃料電池以替代傳統(tǒng)的電池電源，汽車領(lǐng)域中燃料電池的應(yīng)用，已成為能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖1燃料電池工作原理示意

作為一種能量轉(zhuǎn)化裝置，燃料電池是按照原電池工作原理，直接將燃料和氧化劑中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，工作原理如圖1所示。

燃料電池主要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路4部分組成，其陽極和陰極分別通入燃料氣和氧氣(空氣)，陽極上燃料氣放出電子，外電路傳導(dǎo)電子到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子，在電場(chǎng)作用下，離子通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽極上再與燃料氣進(jìn)行反應(yīng)，最后形成回路產(chǎn)生電。與此同時(shí)，因?yàn)槿剂献陨淼姆磻?yīng)及電池存在的內(nèi)阻，燃料電池也要排出一定的熱量，以保持電池恒定的工作溫度。從外表上看像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能「儲(chǔ)電」而是一個(gè)「發(fā)電廠」。

其中，陰陽極不僅可以傳導(dǎo)電子，還能作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。為便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物的排出，兩極往往采用多孔結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)則主要起到傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用，一般情況下為致密結(jié)構(gòu)。

燃料電池作為一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，僅僅是將存儲(chǔ)于燃料物質(zhì)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。從原則上講，只要接連不斷地供給化學(xué)燃料，燃料電池就可以持續(xù)不斷的發(fā)電，這是繼核電、水力、火力之后的第4代發(fā)電技術(shù)。

燃料電池成為國內(nèi)外企業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，這主要是源于它自身的優(yōu)點(diǎn)：

能量轉(zhuǎn)化效率高;

燃料選擇范圍廣;

清潔、污染少;

噪聲低;

比能量高、可靠性強(qiáng);

負(fù)荷響應(yīng)快，具有超強(qiáng)的適用能力。

盡管燃料電池?fù)碛腥绱硕辔说膬?yōu)勢(shì)，可它在運(yùn)行推廣過程中仍然有一些不足，主要存在的問題是：

成本較高;

功率密度仍需提高;

燃料的存儲(chǔ);

對(duì)于環(huán)境毒性比較敏感;

有限的工作溫度兼容性。

目前，應(yīng)用得較多是質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是近些年快速發(fā)展起來的新一代燃料電池，具有較高的能量效率和能量密度、體積重量小、啟動(dòng)速度最快、運(yùn)行安全可靠、應(yīng)用最為廣泛等優(yōu)點(diǎn)，特別是在汽車方面應(yīng)用較為深廣，PEMFC是正在開發(fā)的商用燃料電池。

而最早參與實(shí)際應(yīng)用的燃料電池是堿性燃料電池(AFC)，在Apollo飛船中應(yīng)用的AFC不僅為飛船提供了動(dòng)力，還為宇航員提供了飲用水。其電解質(zhì)主要是氫氧化鉀/氫氧化鈉水溶液，可以使用較為廉價(jià)的催化劑如鐵、鎳、銀及一些金屬氧化物代替貴金屬催化劑(鉑等)，因此材料成本較低。