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燃料電池距我們有多遠(yuǎn)？
摘要：目前，燃料電池是全球能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。介紹了燃料電池的原理、分類、特點(diǎn)及研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀，燃料電池作為新的清潔能源應(yīng)用前景廣闊，但目前仍處于研發(fā)和示范階段，距廣泛商業(yè)化階段還有相當(dāng)?shù)木嚯x。引言
國際能源界預(yù)測，本世紀(jì)氫能將得到廣泛的應(yīng)用，而燃料電池將成為利用氫能的重要途徑。燃料電池是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電裝置，它是可以替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。燃料電池具有安全、高效、無污染、適用廣、無噪聲等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)。
1 基本原理
普通電池是將電池內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，而燃料電池是將電池外部的燃料（氫和氧）通過化學(xué)反應(yīng)，將其釋放的能量轉(zhuǎn)變成電能輸出。燃料電池外部的燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)是一個(gè)活動(dòng)裝置，可以方便地更換和補(bǔ)充燃料。
燃料電池的基本原理是水的電解的逆反應(yīng)。它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣），在電極上常使用催化劑（例如白金）來加速電化學(xué)反應(yīng)。氫在負(fù)極分解成正離子H＋和電子e。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。
2 燃料電池的種類及其特點(diǎn)
2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC)
該電池的電解質(zhì)為離子交換膜，薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑（如白金），其兩側(cè)分別供應(yīng)氫氣及氧氣。由于PEM燃料電池的唯一液體是水，因此腐蝕問題很小，且操作溫度介于80℃～100℃之間，安全上的顧慮較低；其缺點(diǎn)是，作為催化劑的白金價(jià)格昂貴。PEMFC是輕型汽車和家庭應(yīng)用的理想電力能源，它可以替代充電電池。2?2堿性燃料電池(AlkalineFuelCells—AFC)
堿性燃料電池的設(shè)計(jì)與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)基本相似，但其電解質(zhì)為穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。操作時(shí)所需溫度并不高，轉(zhuǎn)換效率好，可使用的催化劑種類多且價(jià)格便宜，例如銀、鎳等。但是，在最近各國燃料電池開發(fā)中，卻無法成為主要開發(fā)對象，其原因在于電解質(zhì)必須是液態(tài)，燃料也必須是高純度的氫才可以。目前，這種電池對于商業(yè)化應(yīng)用來說過于昂貴，其主要為空間研究服務(wù)，包括為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。
2.3 磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC)
因其使用的電解質(zhì)為100％濃度的磷酸而得名。操作溫度大約在150℃～220℃之間，因溫度高所以廢熱可回收再利用。其催化劑為白金，因此，同樣面臨白金價(jià)格昂貴的問題。到目前為止，該燃料電池大都使用在大型發(fā)電機(jī)組上，而且已商業(yè)化生產(chǎn)，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。
2.4 熔融碳酸鹽燃料電池((Molten Carbonate FuelCells—MCFC)
其電解質(zhì)為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽。在電極方面，無論是燃料電極還是空氣電極，都使用具有透氣性的多孔質(zhì)鎳。操作溫度約為600℃～700℃，因溫度相當(dāng)高，致使在常溫下呈現(xiàn)白色固體狀的碳酸鹽熔解為透明液體。此型燃料電池，不需要貴金屬當(dāng)催化劑。因?yàn)椴僮鳒囟雀�，廢熱可回收再利用，其發(fā)電效率高達(dá)75％～80％，適用于中央集中型發(fā)電廠，目前在日本和意大利已有應(yīng)用。
2.5 固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells—SOFC)
其電解質(zhì)為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩(wěn)定度較高，不需要催化劑。一般而言，此種燃料電池操作溫度約為1000℃，廢熱可回收再利用。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。由于使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比熔融碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。其效率約為60％左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。缺點(diǎn)是構(gòu)建該型電池的耐高溫材料價(jià)格昂貴。
2.6 直接甲醇燃料電池（Direct Methanol FuelCells—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，它直接使用甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，然后如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。這種電池的工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約在40％左右。其使用的技術(shù)仍處于研發(fā)階段，但已成功地顯示出可以用作移動(dòng)電話和筆記本電腦的電源。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)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。
2.7 再生型燃料電池（Regenerative FuelCells—RFC）
再生型燃料電池的概念相對較新，但全球已有許多研究小組正在從事這方面的工作。這種電池構(gòu)建了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫，而是將燃料電池中生成的水送回到以太陽能為動(dòng)力的電解池中分解成氫和氧，然后將其送回到燃料電池。目前，這種電池的商業(yè)化開發(fā)仍有許多問題尚待解決，例如成本，太陽能利用的穩(wěn)定性等。美國航空航天局（NASA）正在致力于這種電池的研究。
2.8 鋅空燃料電池(Zinc－air Fuel Cells—ZAFC)
利用鋅和空氣在電解質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。鋅空燃料電池的最大好處是能量高。與其他燃料電池相比，同樣的重量，鋅空電池可以運(yùn)行更長的時(shí)間。另外，地球上豐富的鋅資源使鋅空電池的原材料很便宜。它可用于電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子和軍事領(lǐng)域，前景廣闊。目前MetallicPower和PowerZinc公司正在致力于鋅空燃料電池的研究和商業(yè)化。
2.9 質(zhì)子陶瓷燃料電池(Protonic Ceramic FuelCells—PCFC)
這種新型燃料電池的機(jī)理是：在高溫下陶瓷電解材料具有很高的質(zhì)子導(dǎo)電率。Protonetics InternationalInc.正在致力于這種電池的研究。
3 燃料電池的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀
燃料電池技術(shù)在全球的開發(fā)極為活躍。全世界約有20多個(gè)國家的上千家公司和機(jī)構(gòu)投入巨額資金從事燃料電池的研究和商業(yè)化工作。目前，已有2500多個(gè)燃料電池系統(tǒng)安裝在世界各地，為醫(yī)院、托兒所、賓館、辦公樓、學(xué)校、機(jī)場和電廠等提供基本的和備用的電力供應(yīng)。
美國是研究燃料電池最早的國家，處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。早在上世紀(jì)60年代初，NASA為解決航天飛機(jī)中普通電池過重的問題而開始研究新的動(dòng)力裝置。之后的幾十年中，能源部（DOE）、電力研究所（EPRI）和氣體研究協(xié)會(huì)（GRI）等部門都投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行
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