潛能無限的燃料電池

雖然燃料電池這個名詞出現(xiàn)在人們眼前的時間并不長，但它的歷史已經(jīng)可以追溯到100多年前了。在1889年，Ludwig Mond和Charles Langer兩位化學(xué)家想用空氣和工業(yè)煤氣制造一個實用的能提供電能的裝置，“燃料電池”一詞也就隨著他們的發(fā)明而誕生了?，F(xiàn)代燃料電池技術(shù)興起于20世紀60年代，為了給航天飛機尋找高效能的電能裝置，美國宇航局跟GE公司合作開發(fā)了第一個現(xiàn)代意義上的燃料電池—質(zhì)子交換膜燃料電池，這也是燃料電池商用化的開始。此后，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，燃料電池的家族越發(fā)的人丁興旺，而應(yīng)用領(lǐng)域也遍及各處。

燃料電池的原理和特點

燃料電池是靠氫氧結(jié)合成水的反應(yīng)來發(fā)電的，因而不會產(chǎn)生氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC）等易對空氣造成污染的物質(zhì)。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液，根據(jù)電解液的不同，可以分為熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物型燃料電池(SOFC) 、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）五大類型。

燃料電池有著幾個獨特的性質(zhì)：

1 燃料電池在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。

2 燃料電池所能夠產(chǎn)生的電能只和燃料的供應(yīng)有關(guān)，只要供給燃料就可以產(chǎn)生電能，其放電是連續(xù)進行的。

3 燃料電池本體的質(zhì)量和體積并不大，但需要一套燃料儲存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備的質(zhì)量和體積遠遠超過燃料電池本身。

常見的燃料電池

·質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

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。同時，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。

·堿性燃料電池（AFC）

堿性燃料電池使用的電解質(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。這些電子先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。

·磷酸燃料電池（PAFC）

這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，其工作溫度要比質(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。

·熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池采用熔化的鋰鉀碳酸鹽或鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當溫度加熱到650℃時，這種鹽就會熔化，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。

·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熔化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，使用了諸如用氧化釔穩(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，當氧陽離子從陰極移動到陽極，使氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）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)。

開發(fā)狀況

因為能源和環(huán)保的考慮，各國和地區(qū)都在加緊開發(fā)自己的燃料電池計劃。但是因為國情不同，側(cè)重點也大不相同。

燃料電池被定為美國的27項必須發(fā)展技術(shù)之一，而質(zhì)子交換膜燃料電池更是其中的重點。為此，美國政府成立了氫、燃料電池和基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)辦公室。同時，美國的企業(yè)和各種投資基金也都對燃料電池項目給予了很大的投入。


日本對燃料電池的熱情不亞于美國，政府對該技術(shù)的投入也在逐年提高。日本已開發(fā)了好幾種燃料電池供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到“電站”階段。同時，還有為數(shù)不少的小型燃料電池發(fā)電裝置被應(yīng)用于醫(yī)院、飯店、賓館中。


歐盟在過去10年中，通過框架計劃對汽車業(yè)和燃料電池技術(shù)開發(fā)提供了大量研發(fā)支持。歐盟還越來越熱衷于燃料電池車示范項目，但不像美日那樣高度重視客車的示范，而把重點放在大量運輸應(yīng)用上。


中國車用燃料電池研究已經(jīng)有了良好的開端。 “十五”期間，電動汽車在國家863計劃中列項，并被確定為國家12個重大科技專項之一。中國還與全球環(huán)境基金/聯(lián)合國發(fā)展計劃署建立燃料電池合作項目，共同提供約1.98萬美元的資金支持。經(jīng)過科技攻關(guān)，目前已研制出幾十個100kW級以上的燃料電池，對整車動力系統(tǒng)的改進起到積極的推動作用。

結(jié)語


世界上第一座 SOFC/燃機混合系統(tǒng)在爾灣市加利福尼亞大學(xué)的美國國家燃料電池研究中心運行著。該系統(tǒng)總功率為220kW，其中200kW來自SOFC。這一系統(tǒng)的研制、運行不但給燃料的發(fā)開注入了一針強心劑，也給日益面臨能源問題困擾的世界提供了一個嶄新的解決思路。