摘要：本文讨论了燃料电池的优缺点和工作原理，介绍了燃料电池的分类以及研究现状和应用前景。
随着现代文明的发展、工业化进程的加快和自然资源的日益缺乏，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能，必须首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环以及现代材料的限制，所获得的效率只有33～35％，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式，给今天人类的生活环境造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。多年来，人们一直努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种直接将化学能转变为电能的电化学器件，理论转化率可达90％[1]，它具有高能量、高效率、不排放污染物或极少排放污染物的特点，是应用前景十分广阔的清洁能源。广泛地利用燃料电池发电，对社会经济的发展和可再生资源的有效利用具有重要意义。
1.燃料电池的基本概念及其优缺点
燃料电池是由燃料电极(阴极)，氧化剂电极(阳极)和电解质构成，它是一种基本的电化学装置，是一种直接将化学能转变为电能的电化学器件，其工作过程是通过燃料和氧化剂分别在两个电极上发生反应，由电解液和外电路构成回路，将燃烧中的化学能直接转化为电能。
1．1 燃料电池的优点
(1)节能、转换效率高燃料电池在额定功率下的效率可以达到60％，而在部分功率输出条件下运转效率可以达到7 O％，在过载功率输出条件下运转效率可以达到5 0—5 5％。高效率随功率变化的范围很宽，？在低功率下运转效率高，特别适合于汽车动力性能的要求。而内燃机只有在额定功率附近才有最高效率，如果在部分功率输出条件下运转，效率将会迅速降低。
燃料电池短时间的过载能力，可以达到额定功率的200％，非常适合汽车在加速和爬坡时动力性能的特征。然而内燃机过载能力低，在过载运转时比较容易“熄火”。
总上所述，燃料电池的节能远远超过内燃机，而且稳定性和可靠性高于内燃机。
(2)排放基本达到零污染
用碳氢化合物作为燃料的燃料电池主要生成物质为水、二氧化碳和一氧化碳
等，属于“超低污染”，氢氧燃料电池的反应产物只有清洁的水。内燃机排放的尾气中含有大量对人体有害的气体，尽管采取了各种各样的机内和机外的技术措施，仍达不到较理想的效果。由此可见，燃料电池几乎没有污染，较内燃机环保。
(3)燃料电池工作时不产生噪音及机械震动，且寿命较长这主要与它的工作过程有关，它是通过燃料和氧化剂分别在两个电极上发生反应，由电解液和外电路构成回路，将燃烧中的化学能直接转化为电能。所以在整个工作过程中，没有噪音和机械震动的产生，从而减少机械器件的磨损，延长了使用寿命。
(4)结构简单、运行平稳燃料电池的能量转换是在静态下完成的，结构比较简单。构件的加工精度要求比内燃机低得多。特别是质子交换膜燃料电池能量转换效率高，能够在8 0℃的低温条件下起动和运转，对结构件的耐热性能要求也不高。由于无机械震动，所以运行时比较平稳。
1．2 燃料电池的缺点
(1)燃料种类单一
目前，不论是液态氢、气态氢，还是碳水化合物经过重整后转换的氢，他们均是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。
(2)要求高质量的密封
燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1 V，不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池发动机组，在组合时，单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，因为密封不良的燃料电池，氢气会泄漏到燃料电池的外面，降低了氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封，使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。
(3)造价太高
目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂(Pt)作为催化剂，其使用量要求达到0．卜0．2mg／cm3，目前用量要求达到0．5mg／cm 3，距离要求还较远。而且铂(Pt)在反应过程中受CO的作用会“中毒”而失效。铂(Pt)的使用和铂(Pt)的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。
2.燃料电池的工作原理
燃料电池的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧的还原过程，导电离子在阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。
但是燃料电池的工作方式又与常规的化学电源不同，更类似于汽油、柴油燃料。燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定【3】。
电池阴、阳极及电池总反应方程式如下：
3．燃料电池的分类
3．1 按燃料电池的运行机理分
根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。
3．2按电解质种类分
根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。
3．3 按燃料类型分
燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。
3．4按工作温度分
根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200-750℃；高温型，温度高于750℃。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在常温下可以正常工作，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下工作，这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合应用于大功率的发电厂中。
3．5微生物燃料电池
微生物燃料电池是利用电池的阳极来代替氧或硝酸盐等天然的电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外电路转移到阴极，在阴极区电子将电子受体(如氧) 还原，然后透过质子交换膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。
目前，研究工作者已在微生物燃料电池设计和提高输出功率方面取得了较大进展，得到了最大输出功率413WPm2和库仑效率89％的显著成绩，并在降低电极和PEM等材料的成本、设计无介体无膜系统、提高系统运行负荷和运行连续性等方面也取得了可喜地进展。但要实现技术从实验室到工业化应用的转换仍面临不少难题[4]。
4.燃料电池的发展现状及应用前景
据统计，2005年全球拥有50万个固定的(静止式)燃料电池装置，到201 0年，将有2 50万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有6 0万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1％。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。预计到2010年左右，‘燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4％的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4．5％和3．7％。到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25％。
据估计，全球燃料电池市场到2011年将达到3 50亿美元，201 3年将达3 80亿美元。静止式燃料电池市场将从2008年20亿美元增大到201 3年1 00亿美元，便携式燃料电池市场20 1 3年将达2 50亿美元，汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增大到20l 3年100亿美元。
燃料电池由于具有节能、高效、洁净、功率密度高及模块化结构等突出的特点，这决定了它在固定发电系统、现场用电源、分布式电源、空间飞行器电源及交通工具用电源方面有着广阔的应用前景。
4．1 军事上的应用
军事应用应该是燃料电池最主要，也是最适合的市场。高效， 多面性， 使用时间长，以及宁静的工作环境，这些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态作为绝大多数军事装置一一一从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力[6]。
4．2 固定电站和分散式电站上的应用
燃料电池用于大型电站和分散式电站，可以显著提高发电效率。从长远来看，有可能对改变现有的能源结构、能源的战略储备和国家安全等具有重要意义。所以应加大燃料电池在固定以及分散式电站上投资力度。
4．3仪器和通讯设备电源的应用
当今社会，越来越多的便携式电子产品影响着人们的生活，人们已经离不开手机、数码相机和笔记本电脑等电子产品，然而这些电子产品存在的主要难题就是电源问题，电源寿命短，且电池维持的时间也短。燃料电池正好克服了这一缺陷。因此，东芝、IBM、NEC等世界著名企业正投巨资研发燃料电池。
4．4交通运输上的应用
目前，城市的空气污染主要来源于车辆排放的尾气，而燃料电池车在行使过程中无污染物或极少排出污染物，无机械噪音。只要燃料供应充足，车辆行驶的里程是不受限制的。所以燃料电池车的发展势在必行。汽车生产商戴姆勒一克莱斯勒公司、福特汽车公司、现代汽车公司、大众汽车公司等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池汽车。
5 结语
当今全球能源危机、油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之
急。燃料电池的节能、高效、无污染、建设周期短、易维护等诸多特点，是众多替代品中的首选。目前，燃料电池的发展得到各国政府的大力支持，技术上有较大突破，但造价昂贵一直是燃料电池商业化的最大障碍。因此，降低造价是燃料电池研究攻关的重点。相信在广大科研工作者的共同努力下，燃料电池的商业化将不会太遥远。
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