燃料電池

基本信息

　　定義

　　將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。

　　簡(jiǎn)介

　　燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、[1]材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，燃料電池具有以下特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高；他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。安裝地點(diǎn)靈活；燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適。負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。

　　普通電池

　　電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢(shì)等于單位正電荷由負(fù)極通過(guò)電池內(nèi)部移到正極時(shí)，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動(dòng)勢(shì)取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)電池內(nèi)阻也要引起電動(dòng)勢(shì)降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。

ontent">　　類型匯總

　　能量變化

　　為了利用煤或者石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電，必須先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽，蒸汽則可以用來(lái)使汽輪發(fā)電機(jī)組的磁場(chǎng)在定子線圈中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說(shuō)，我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，然后把熱能轉(zhuǎn)換動(dòng)能，最后轉(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，許多原來(lái)的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而，燃料非常便宜，雖有這種浪費(fèi)，也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力，而無(wú)需昂貴的費(fèi)用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而無(wú)需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此，我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成，其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)，電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大，因此，如果這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來(lái)，電子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流，只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這種電流就會(huì)繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下，當(dāng)一個(gè)電池用完了以后，人們迫使電流返回流入這個(gè)電池，電池內(nèi)會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，電池能夠貯存化學(xué)能，并用于再次產(chǎn)生電流。汽車(chē)?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。在一個(gè)電池里，浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多，因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｈ欢?，電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。如果你試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力，那么，一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。

歷史

　　燃料電池的發(fā)明

　　1839年英國(guó)的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國(guó)

　　燃料電池的發(fā)展

　　劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開(kāi)始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開(kāi)始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無(wú)污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

　　火力發(fā)電的出現(xiàn)

　　大型電站，火力發(fā)電由于機(jī)組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進(jìn)用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷。為了適應(yīng)用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來(lái)應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無(wú)論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為積木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和火力發(fā)電廠相比，非常靈活。

發(fā)展?fàn)顩r

　　國(guó)內(nèi)

　　在中國(guó)的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開(kāi)展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，1993年開(kāi)始進(jìn)行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個(gè)單電池組成的MCFC原理性電池。“八五”期間，中科院大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)十幾個(gè)單位進(jìn)行了與SOFC的有關(guān)研究。到90年代中期，由于國(guó)家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入“九五”科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)，中國(guó)進(jìn)入了燃料電池研究的第二個(gè)高潮。在中國(guó)科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)方面取得了不少進(jìn)展，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專家對(duì)燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學(xué)會(huì)議上對(duì)中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國(guó)加強(qiáng)了在PEMFC方面的研究力度。2000年大連化學(xué)物理研究所與中科院電工研究所已完成30kW車(chē)用用燃料電池的全部試驗(yàn)工作。北京富原公司也宣布，2001年將提供40kW的中巴燃料電池，并接受訂貨?？萍疾扛辈块L(zhǎng)徐冠華在EVS16屆大會(huì)上宣布，中國(guó)將在2000年裝出首臺(tái)燃料電池電動(dòng)車(chē)。此前參與燃料電池研究的有關(guān)概況如下：

　　1：PEMFC的研究狀況

　　中國(guó)最早開(kāi)展PEMFC研制工作的是長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，該所于1990年在中科院扶持下開(kāi)始研究PEMFC，工作主要集中在催化劑、電極的制備工藝和甲醇外重整器的研制已制造出100WPEMFC樣機(jī)。1994年又率先開(kāi)展直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池的研究工作。該所與美國(guó)CaseWesternReserve大學(xué)和俄羅斯氫能與等離子體研究所等建立了長(zhǎng)期協(xié)作關(guān)系。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所于1993年開(kāi)展了PEMFC的研究，在電極工藝和電池結(jié)構(gòu)方面做了許多工作，現(xiàn)已研制成工作面積為140cm2的單體電池，其輸出功率達(dá)0.35W/cm2。

　　復(fù)旦大學(xué)在90年代初開(kāi)始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制備和電極制備工藝。廈門(mén)大學(xué)與香港大學(xué)和美國(guó)的CaseWesternReserve大學(xué)合作開(kāi)展了直接甲醇PEMFC的研究。

　　1994年，上海大學(xué)與北京石油大學(xué)合作研究PEMFC(“八五”攻關(guān)項(xiàng)目)，主要研究催化劑、電極、電極膜集合體的制備工藝。

　　北京理工大學(xué)于1995年在兵器工業(yè)部資助下開(kāi)始了PEMFC的研究，單體電池的電流密度為150mA/cm²。

　　中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所于1994年開(kāi)始研究PEMFC，主營(yíng)使用計(jì)算傳熱和計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)各種供氣、增濕、排熱和排水方案進(jìn)行比較，提出改進(jìn)的傳熱和傳質(zhì)方案。

　　天津電源研究所1997年開(kāi)始PEMFC的研究，擬從國(guó)外引進(jìn)1.5kW的電池，在解析吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)展研究。

　　1995年北京富原公司與加拿大新能源公司合作進(jìn)行PEMFC的研制與開(kāi)發(fā)，5kW的PEMFC樣機(jī)現(xiàn)已研制成功并開(kāi)始接受訂貨。

　　2：MCFC的研究簡(jiǎn)況

　　在中國(guó)開(kāi)展MCFC研究的單位不太多。哈爾濱電源成套設(shè)備研究所在80年代后期曾研究過(guò)MCFC，90年代初停止了這方面的研究工作。

　　1993年中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在中國(guó)科學(xué)院的資助下開(kāi)始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滾壓法和帶鑄法制備出MCFC用的隔膜，組裝了單體電池，其性能已達(dá)到國(guó)際80年代初的水平。

　　90年代初，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所也開(kāi)始了MCFC的研究，在LiAlO₂微粉的制備方法研究和利用金屬間化合物作MCFC的陽(yáng)極材料等方面取得了很大進(jìn)展。

　　北京科技大學(xué)于90年代初在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下開(kāi)展了MCFC的研究，主要研究電極材料與電解質(zhì)的相互作用，提出了用金屬間化合物作電極材料以降低它的溶解。

　　3：SOFC的研究簡(jiǎn)況

　　最早開(kāi)展SOFC研究的是中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所他們?cè)?971年就開(kāi)展了SOFC的研究，主要側(cè)重于SOFC電極材料和電解質(zhì)材料的研究。80年代在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下又開(kāi)始了SOFC的研究，系統(tǒng)研究了流延法制備氧化鋯膜材料、陰極和陽(yáng)極材料、單體SOFC結(jié)構(gòu)等，已初步掌握了濕化學(xué)法制備穩(wěn)定的氧化鋯納米粉和致密陶瓷的技術(shù)。吉林大學(xué)于1989年在吉林省青年科學(xué)基金資助下開(kāi)始對(duì)SOFC的電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極材料等進(jìn)行研究組裝成單體電池，通過(guò)了吉林省科委的鑒定。1995年獲吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委450萬(wàn)元人民幣的資助，先后研究了電極、電解質(zhì)、密封和聯(lián)結(jié)材料等，單體電池開(kāi)路電壓達(dá)1.18V，電流密度400mA/cm²，4個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組能使收音機(jī)和錄音機(jī)正常工作。

　　1991年中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所在中國(guó)科學(xué)院資助下開(kāi)展了SOFC的研究，從研制材料著手制成了管式和平板式的單體電池，功率密度達(dá)0.09W/cm²～0.12W/cm²，電流密度為150mA/cm²～180mA/cm²，工作電壓為0.60V～0.65V。1994年該所從俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院電化學(xué)研究所引進(jìn)了20W～30W塊狀疊層式SOFC電池組，電池壽命達(dá)1200h。他們?cè)诜治龆砹_斯疊層式結(jié)構(gòu)、美國(guó)Westinghouse的管式結(jié)構(gòu)和德國(guó)Siemens板式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了六面體式新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)吸收了管式不密封的優(yōu)點(diǎn)，電池間組合采用金屬氈柔性聯(lián)結(jié)，并可用常規(guī)陶瓷制備工藝制作。

　　華南理工大學(xué)于1992年在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、廣東省自然科學(xué)基金、汕頭大學(xué)李嘉誠(chéng)科研基金、廣東佛山基金共一百多萬(wàn)元的資助下開(kāi)始了SOFC的研究，組裝的管狀單體電池，用甲烷直接作燃料，最大輸出功率為4mW/cm²，電流密度為17mA/cm²，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)140h，電池性能無(wú)明顯衰減。

　　國(guó)際

　　發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車(chē)上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級(jí)的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國(guó)家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運(yùn)算繪圖及文書(shū)處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命。燃料電池的高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本的潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。磷酸型燃料電池(PAFC)受1973年世界性石油危機(jī)以及美國(guó)PAFC研發(fā)的影響，日本決定開(kāi)發(fā)各種類型的燃料電池，PAFC作為大型節(jié)能發(fā)電技術(shù)由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。自1981年起，進(jìn)行了1000kW現(xiàn)場(chǎng)型PAFC發(fā)電裝置的研究和開(kāi)發(fā)。1986年又開(kāi)展了200kW現(xiàn)場(chǎng)性發(fā)電裝置的開(kāi)發(fā)，以適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)或商業(yè)用的PAFC發(fā)電裝置。富士電機(jī)公司是日本最大的PAFC電池堆供應(yīng)商。截至1992年，該公司已向國(guó)內(nèi)外供應(yīng)了17套PAFC示范裝置，富士電機(jī)在1997年3月完成了分散型5MW設(shè)備的運(yùn)行研究。作為現(xiàn)場(chǎng)用設(shè)備已有50kW、100kW及500kW總計(jì)88種設(shè)備投入使用。下表所示為富士電機(jī)公司已交貨的發(fā)電裝置運(yùn)行情況，到1998年止有的已超過(guò)了目標(biāo)壽命4萬(wàn)小時(shí)。

　　東芝公司從70年代后半期開(kāi)始，以分散型燃料電池為中心進(jìn)行開(kāi)發(fā)以后，將分散電源用11MW機(jī)以及200kW機(jī)形成了系列化。11MW機(jī)是世界上最大的燃料電池發(fā)電設(shè)備，從1989年開(kāi)始在東京電力公司五井火電站內(nèi)建造，1991年3月初發(fā)電成功后，直到1996年5月進(jìn)行了5年多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2萬(wàn)小時(shí)，在額定運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率43.6%。在小型現(xiàn)場(chǎng)燃料電池領(lǐng)域，1990年?yáng)|芝和美國(guó)IFC公司為使現(xiàn)場(chǎng)用燃料電池商業(yè)化，成立了ONSI公司，以后開(kāi)始向全世界銷(xiāo)售現(xiàn)場(chǎng)型200kW設(shè)備“PC25”系列。PC25系列燃料電池從1991年末運(yùn)行，到1998年4月，共向世界銷(xiāo)售了174臺(tái)。其中安裝在美國(guó)某公司的一臺(tái)機(jī)和安裝在日本大阪梅田中心的大阪煤氣公司2號(hào)機(jī)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相繼突破了4萬(wàn)小時(shí)。從燃料電池的壽命和可靠性方面來(lái)看，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間4萬(wàn)h是燃料電池的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。東芝ONSI已完成了正式商用機(jī)PC25C型的開(kāi)發(fā)，早已投放市場(chǎng)。PC25C型作為21世紀(jì)新能源先鋒獲得日本通商產(chǎn)業(yè)大獎(jiǎng)。從燃料電池商業(yè)化出發(fā)，該設(shè)備被評(píng)價(jià)為具有高先進(jìn)性、可靠性以及優(yōu)越的環(huán)境性設(shè)備。它的制造成本是$3000/kW，將推出的商業(yè)化PC25D型設(shè)備成本會(huì)降至$1500/kW，體積比PC25C型減少1/4，質(zhì)量?jī)H為14t。2001年，在中國(guó)就將迎來(lái)第一座PC25C型燃料電池電站，它主要由日本的MITI（NEDO）資助的，這將是我國(guó)第一座燃料電池發(fā)電站。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

　　著名的加拿大Ballard公司在PEMFC技術(shù)上全球領(lǐng)先，它的應(yīng)用領(lǐng)域從交通工具到固定電站，其子公司BallardGenerationSystem被認(rèn)為在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和市場(chǎng)化零排放質(zhì)子交換膜燃料電池上處于世界領(lǐng)先地位。BallardGenerationSystem最初產(chǎn)品是250kW燃料電池電站，其基本構(gòu)件是Ballard燃料電池，利用氫氣（由甲醇、天然氣或石油得到）、氧氣（由空氣得到）不燃燒地發(fā)電。Ballard公司正和世界許多著名公司合作以使BallardFuelCell商業(yè)化。BallardFuelCell已經(jīng)用于固定發(fā)電廠：由BallardGenerationSystem，GPUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司共同組建了BallardGenerationSystem，共同開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)以下的燃料電池發(fā)電廠。經(jīng)過(guò)5年的開(kāi)發(fā)，第一座250kW發(fā)電廠于1997年8月成功發(fā)電，1999年9月送至IndianaCinergy，經(jīng)過(guò)周密測(cè)試、評(píng)估，并提高了設(shè)計(jì)的性能、降低了成本，這導(dǎo)致了第二座電廠的誕生，它安裝在柏林，250kW輸出功率，也是在歐洲的第一次測(cè)試。很快Ballard公司的第三座250kW電廠也在2000年9月安裝在瑞士進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，緊接著，在2000年10月通過(guò)它的伙伴EBARABallard將第四座燃料電池電廠安裝在日本的NTT公司，向亞洲開(kāi)拓了市場(chǎng)。在不同地區(qū)進(jìn)行的測(cè)試將大大促進(jìn)燃料電池電站的商業(yè)化。第一個(gè)早期商業(yè)化電廠將在2001年底面市。下圖是安裝在美國(guó)Cinergy的Ballard燃料電池裝置，正在測(cè)試。

　　各種燃料電池(3張)圖是安裝在柏林的250kWPEMFC燃料電池電站：

　　在美國(guó)，PlugPower公司是最大的質(zhì)子交換膜燃料電池開(kāi)發(fā)公司，他們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、制造適合于居民和汽車(chē)用經(jīng)濟(jì)型燃料電池系統(tǒng)。1997年，PlugPower模塊第一個(gè)成功地將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。PlugPower公司開(kāi)發(fā)出它的專利產(chǎn)品PlugPower7000居民家用分散型電源系統(tǒng)。商業(yè)產(chǎn)品在2001年初推出。家用燃料電池的推出將使核電站、燃?xì)獍l(fā)電站面臨挑戰(zhàn)，為了推廣這種產(chǎn)品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合資公司，產(chǎn)品改稱GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司負(fù)責(zé)全球推廣。此產(chǎn)品將提供7kW的持續(xù)電力。GE/Plug公司宣稱其2001年初售價(jià)為$1500/kW。他們預(yù)計(jì)5年后，大量生產(chǎn)的燃料電池售價(jià)將降至$500/kW。假設(shè)有20萬(wàn)戶家庭各安裝一個(gè)7kW的家用燃料電池發(fā)電裝置，其總和將接近一個(gè)核電機(jī)組的容量，這種分散型發(fā)電系統(tǒng)可用于尖峰用電的供給，又因分散式系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了電力的穩(wěn)定性，即使少數(shù)出現(xiàn)了故障，但整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)依然能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在Ballard公司的帶動(dòng)下，許多汽車(chē)制造商參加了燃料電池車(chē)輛的研制，例如：Chrysler(克萊斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大眾)和Volvo(富豪)等，它們?cè)S多正在使用的燃料電池都是由Ballard公司生產(chǎn)的，同時(shí)，它們也將大量的資金投入到燃料電池的研制當(dāng)中，克萊斯勒公司給Ballard公司注入4億5千萬(wàn)加元用于開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)，大大的促進(jìn)了PEMFC的發(fā)展。1997年，Toyota公司就制成了一輛RAV4型帶有甲醇重整器的跑車(chē)，它由一個(gè)25kW的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部50kW的能量，最高時(shí)速可以達(dá)到125km/h，行程可達(dá)500km。這些大的汽車(chē)公司均有燃料電池開(kāi)發(fā)計(jì)劃，雖然燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的時(shí)機(jī)還未成熟，但幾家公司已確定了開(kāi)始批量生產(chǎn)的時(shí)間表，Daimler-Benz公司宣布，到2004年將年產(chǎn)40000輛燃料電池汽車(chē)。因而未來(lái)十年，極有可能達(dá)到100000輛燃料電池汽車(chē)。

　　熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

　　50年代初，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由于其可以作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置的前景而引起了世界范圍的重視。在這之后，MCFC發(fā)展的非?？欤陔姵夭牧?、工藝、結(jié)構(gòu)等方面都得到了很大的改進(jìn)，但電池的工作壽命并不理想。到了80年代，它已被作為第二代燃料電池，而成為實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)，研制速度日益加快。MCFC的主要研制者集中在美國(guó)、日本和西歐等國(guó)家。預(yù)計(jì)2002年將商品化生產(chǎn)。

　　美國(guó)能源部（DOE）2000年已撥給固定式燃料電池電站的研究費(fèi)用4420萬(wàn)美元，而其中的2/3將用于MCFC的開(kāi)發(fā)，1/3用于SOFC的開(kāi)發(fā)。美國(guó)的MCFC技術(shù)開(kāi)發(fā)一直主要由兩大公司承擔(dān)，ERC（EnergyResearchCorporation）（現(xiàn)為FuelCellEnergyInc.）和M-CPower公司。他們通過(guò)不同的方法建造MCFC堆。兩家公司都到了現(xiàn)場(chǎng)示范階段：ERC1996年已進(jìn)行了一套設(shè)于加州圣克拉拉的2MW的MCFC電站的實(shí)證試驗(yàn)，正在尋找3MW裝置試驗(yàn)的地點(diǎn)。ERC的MCFC燃料電池在電池內(nèi)部進(jìn)行無(wú)燃?xì)獾母馁|(zhì)，而不需要單獨(dú)設(shè)置的改質(zhì)器。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，ERC對(duì)電池進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，將電池改成250kW單電池堆，而非原來(lái)的125kW堆，這樣可將3MW的MCFC安裝在0.1英畝的場(chǎng)地上，從而降低投資費(fèi)用。ERC預(yù)計(jì)將以$1200/kW的設(shè)備費(fèi)用提供3MW的裝置。這與小型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置設(shè)備費(fèi)用$1000/kW接近。但小型燃?xì)獍l(fā)電效率僅為30%，并且有廢氣排放和噪聲問(wèn)題。與此同時(shí)，美國(guó)M-CPower公司已在加州圣迭戈的海軍航空站進(jìn)行了250kW裝置的試驗(yàn)，計(jì)劃在同一地點(diǎn)試驗(yàn)改進(jìn)75kW裝置。M-CPower公司正在研制500kW模塊，計(jì)劃2002年開(kāi)始生產(chǎn)。

　　日本對(duì)MCFC的研究，自1981年“月光計(jì)劃”時(shí)開(kāi)始，1991年后轉(zhuǎn)為重點(diǎn)，每年在燃料電池上的費(fèi)用為12-15億美元，1990年政府追加2億美元，專門(mén)用于MCFC的研究。電池堆的功率1984年為1kW，1986年為10kW。日本同時(shí)研究?jī)?nèi)部轉(zhuǎn)化和外部轉(zhuǎn)化技術(shù)，1991年，30kW級(jí)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化MCFC試運(yùn)轉(zhuǎn)。1992年50-100kW級(jí)試運(yùn)轉(zhuǎn)。1994年，分別由日立和石川島播磨重工完成兩個(gè)100kW、電極面積1m2，加壓外重整MCFC。另外由中部電力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力發(fā)電廠安裝，預(yù)計(jì)以天然氣為燃料時(shí)，熱電效率大于45%，運(yùn)行壽命大于5000h。由三菱電機(jī)與美國(guó)ERC合作研制的內(nèi)重整30kWMCFC已運(yùn)行了10000h。三洋公司也研制了30kW內(nèi)重整MCFC。石川島播磨重工有世界上最大面積的MCFC燃料電池堆，試驗(yàn)壽命已達(dá)13000h。日本為了促進(jìn)MCFC的開(kāi)發(fā)研究，于1987年成立了MCFC研究協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)燃料電池堆運(yùn)轉(zhuǎn)、電廠外圍設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)等方面的研究，它已聯(lián)合了14個(gè)單位成為日本研究開(kāi)發(fā)主力。

　　歐洲早在1989年就制定了1個(gè)Joule計(jì)劃，目標(biāo)是建立環(huán)境污染小、可分散安裝、功率為200MW的“第二代”電廠，包括MCFC、SOFC和PEMFC三種類型，它將任務(wù)分配到各國(guó)。進(jìn)行MCFC研究的主要有荷蘭、意大利、德國(guó)、丹麥和西班牙。荷蘭對(duì)MCFC的研究從1986年已經(jīng)開(kāi)始，1989年已研制了1kW級(jí)電池堆，1992年對(duì)10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化型與1kW級(jí)內(nèi)部轉(zhuǎn)化型電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，1995年對(duì)煤制氣與天然氣為燃料的2個(gè)250kW系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。意大利于1986年開(kāi)始執(zhí)行MCFC國(guó)家研究計(jì)劃，1992-1994年研制50-100kW電池堆，意大利Ansodo與IFC簽定了有關(guān)MCFC技術(shù)的協(xié)議，已安裝一套單電池（面積1m²）自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，年生產(chǎn)能力為2-3MW，可擴(kuò)大到6-9MW。德國(guó)MBB公司于1992年完成10kW級(jí)外部轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，在ERC協(xié)助下，于1992年-1994年進(jìn)行了100kW級(jí)與250kW級(jí)電池堆的制造與運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)?，F(xiàn)在MBB公司擁有世界上最大的280kW電池組體。

　　資料表明，MCFC與其他燃料電池比有著獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

　　a．發(fā)電效率高比PAFC的發(fā)電效率還高；

　　b．不需要昂貴的白金作催化劑，制造成本低；

　　c．可以用CO作燃料；

　　d．由于MCFC工作溫度600-1000℃，排出的氣體可用來(lái)取暖，也可與汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電。若熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到80%；

　　e．中小規(guī)模經(jīng)濟(jì)性與幾種發(fā)電方式比較，當(dāng)負(fù)載指數(shù)大于45%時(shí)，MCFC發(fā)電系統(tǒng)成本最低。與PAFC相比，雖然MCFC起始投資高，但PAFC的燃料費(fèi)遠(yuǎn)比MCFC高。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)為中小規(guī)模分散型時(shí)，MCFC的經(jīng)濟(jì)性更為突出；

　　f．MCFC的結(jié)構(gòu)比PAFC簡(jiǎn)單。

　　固體氧化物燃料電池(SOFC)

　　SOFC由用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質(zhì)和由多孔質(zhì)給電子通電的燃料和空氣極構(gòu)成?？諝庵械难踉诳諝鈽O/電解質(zhì)界面被氧化，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質(zhì)中向燃料極側(cè)移動(dòng)，在燃料極電解質(zhì)界面和燃料中的氫或一氧化碳反應(yīng)，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過(guò)外部回路，再次返回空氣極，此時(shí)產(chǎn)生電能。

　　SOFC的特點(diǎn)如下：

　　由于是高溫動(dòng)作（600-1000℃），通過(guò)設(shè)置底面循環(huán)，可以獲得超過(guò)60%效率的高效發(fā)電。

　　由于氧離子是在電解質(zhì)中移動(dòng)，所以也可以用CO、煤氣化的氣體作為燃料。

　　由于電池本體的構(gòu)成材料全部是固體，所以沒(méi)有電解質(zhì)的蒸發(fā)、流淌。另外，燃料極空氣極也沒(méi)有腐蝕。動(dòng)作溫度高，可以進(jìn)行甲烷等內(nèi)部改質(zhì)。

　　與其他燃料電池比，發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以期望從容量比較小的設(shè)備發(fā)展到大規(guī)模設(shè)備，具有廣泛用途。

　　在固定電站領(lǐng)域，SOFC明顯比PEMFC有優(yōu)勢(shì)。SOFC很少需要對(duì)燃料處理，內(nèi)部重整、內(nèi)部熱集成、內(nèi)部集合管使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，而且，SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)及其他設(shè)備也很容易進(jìn)行高效熱電聯(lián)產(chǎn)。下圖為西門(mén)子-西屋公司開(kāi)發(fā)出的世界第一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，它于2000年5月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%。未來(lái)的SOFC/燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率將達(dá)到60-70%。

　　被稱為第三代燃料電池的SOFC正在積極的研制和開(kāi)發(fā)中，它是正在興起的新型發(fā)電方式之一。美國(guó)是世界上最早研究SOFC的國(guó)家，而美國(guó)的西屋電氣公司所起的作用尤為重要，現(xiàn)已成為在SOFC研究方面最有權(quán)威的機(jī)構(gòu)。早在1962年，西屋電氣公司就以甲烷為燃料，在SOFC試驗(yàn)裝置上獲得電流，并指出烴類燃料在SOFC內(nèi)必須完成燃料的催化轉(zhuǎn)化與電化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)基礎(chǔ)過(guò)程，為SOFC的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后10年間，該公司與OCR機(jī)構(gòu)協(xié)作，連接400個(gè)小圓筒型ZrO₂-CaO電解質(zhì)，試制100W電池，但此形式不便供大規(guī)模發(fā)電裝置應(yīng)用。80年代后，為了開(kāi)辟新能源，緩解石油資源緊缺而帶來(lái)的能源危機(jī)，SOFC研究得到蓬勃發(fā)展。西屋電氣公司將電化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于SOFC的電解質(zhì)及電極薄膜制備過(guò)程，使電解質(zhì)層厚度減至微米級(jí)，電池性能得到明顯提高，從而揭開(kāi)了SOFC的研究嶄新的一頁(yè)。80年代中后期，它開(kāi)始向研究大功率SOFC電池堆發(fā)展。1986年，400W管式SOFC電池組在田納西州運(yùn)行成功。

　　燃料電池

　　另外，美國(guó)的其它一些部門(mén)在SOFC方面也有一定的實(shí)力。位于匹茲堡的PPMF是SOFC技術(shù)商業(yè)化的重要生產(chǎn)基地，這里擁有完整的SOFC電池構(gòu)件加工、電池裝配和電池質(zhì)量檢測(cè)等設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的SOFC技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心。1990年，該中心為美國(guó)DOE制造了20kW級(jí)SOFC裝置，該裝置采用管道煤氣為燃料，已連續(xù)運(yùn)行了1700多小時(shí)。與此同時(shí)，該中心還為日本東京和大阪煤氣公司、關(guān)西電力公司提供了兩套25kW級(jí)SOFC試驗(yàn)裝置，其中一套為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。另外美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也研究開(kāi)發(fā)了疊層波紋板式SOFC電池堆，并開(kāi)發(fā)出適合于這種結(jié)構(gòu)材料成型的澆注法和壓延法。使電池能量密度得到顯著提高，是比較有前途的SOFC結(jié)構(gòu)。在日本，SOFC研究是“月光計(jì)劃”的一部分。早在1972年，電子綜合技術(shù)研究所就開(kāi)始研究SOFC技術(shù)，后來(lái)加入“月光計(jì)劃”研究與開(kāi)發(fā)行列，1986年研究出500W圓管式SOFC電池堆，并組成1.2kW發(fā)電裝置。東京電力公司與三菱重工從1986年12月開(kāi)始研制圓管式SOFC裝置，獲得了輸出功率為35W的單電池，當(dāng)電流密度為200mA/cm2時(shí)，電池電壓為0.78V，燃料利用率達(dá)到58%。1987年7月，電源開(kāi)發(fā)公司與這兩家公司合作，開(kāi)發(fā)出1kW圓管式SOFC電池堆，并連續(xù)試運(yùn)行達(dá)1000h，最大輸出功率為1.3kW。關(guān)西電力公司、東京煤氣公司與大阪煤氣公司等機(jī)構(gòu)則從美國(guó)西屋電氣公司引進(jìn)3kW及2.5kW圓管式SOFC電池堆進(jìn)行試驗(yàn)，取得了滿意的結(jié)果。從1989年起，東京煤氣公司還著手開(kāi)發(fā)大面積平板式SOFC裝置，1992年6月完成了100W平板式SOFC裝置，該電池的有效面積達(dá)400cm²?，F(xiàn)Fuji與Sanyo公司開(kāi)發(fā)的平板式SOFC功率已達(dá)到千瓦級(jí)。另外，中部電力公司與三菱重工合作，從1990年起對(duì)疊層波紋板式SOFC系統(tǒng)進(jìn)行研究和綜合評(píng)價(jià)，研制出406W試驗(yàn)裝置，該裝置的單電池有效面積達(dá)到131cm²。

　　在歐洲早在70年代，聯(lián)邦德國(guó)海德堡中央研究所就研究出圓管式或半圓管式電解質(zhì)結(jié)構(gòu)的SOFC發(fā)電裝置，單電池運(yùn)行性能良好。80年代后期，在美國(guó)和日本的影響下，歐共體積極推動(dòng)歐洲的SOFC的商業(yè)化發(fā)展。德國(guó)的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開(kāi)發(fā)千瓦級(jí)平板式SOFC發(fā)電裝置。Siemens公司還與荷蘭能源中心(ECN)合作開(kāi)發(fā)開(kāi)板式SOFC單電池，有效電極面積為67cm²。ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦級(jí)SOFC發(fā)電裝置，這種電池為金屬雙極性結(jié)構(gòu)，在800℃下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效果良好?，F(xiàn)正考慮將其制成25～100kW級(jí)SOFC發(fā)電系統(tǒng)，供家庭或商業(yè)應(yīng)用。

特點(diǎn)分類

　　特點(diǎn)與原理

　　由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：

　　不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；

　　不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；

　　具有很強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力；

　　通過(guò)與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；

　　發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大；

　　電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；

　　用天然氣和煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。

　　如此由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力工業(yè)具有極大的吸引力。

　　燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開(kāi)發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。

　　燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來(lái)說(shuō)明燃料電池

　　氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反映是電觧水的逆過(guò)程。電極應(yīng)為：

　　負(fù)極：H₂+2OH-→2H₂O+2e^-

　　正極：1/2O₂+H₂O+2e^-→2OH^-

　　電池反應(yīng)：H₂+1/2O₂==H₂O

　　另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽(yáng)極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過(guò)。

　　在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：

　　燃料極：H₂=2H+2e-（1）

　　空氣極：2H+1/2O₂+2e^-=H₂O（2）

　　全體：H₂+1/2O₂=H₂O（3）

　　氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖

　　在燃料極中，供給的燃料氣體中的H₂分解成H和e^-移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O₂發(fā)生反應(yīng)。e^-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e^-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H₂所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。

　　PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進(jìn)反應(yīng)，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對(duì)于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。

　　磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過(guò)如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。

　　相對(duì)PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。

　　MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為L(zhǎng)i與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。

　　MCFC工作原理?？諝鈽O的O₂（空氣）和CO₂與電相結(jié)合，生成（CO₂）^-₃（碳酸離子），電解質(zhì)將（CO₂）^-₃移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO₂。化學(xué)反應(yīng)式如下：

　　燃料極：H₂＋（CO₂）₃=H₂O＋2e-＋CO₂（4）

　　空氣極：CO₂＋1/2O₂＋2e^-=（CO₂）^-₃（5）

　　全體：H₂＋1/2O₂=H₂O（6）

　　在這一反應(yīng)中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過(guò)外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，必須要有有助于反應(yīng)的（CO₂）^-₃離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開(kāi)發(fā)出來(lái)了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)地將CO作為燃料來(lái)利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來(lái)制作。

　　SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開(kāi)發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開(kāi)發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下：

　　燃料極：H₂＋O^-₂=H₂+O₂+e-（7）

　　空氣極：1/2O₂＋2e^-=O^-₂（8）

　　全體：H₂+1/2O₂=H₂O（9）

　　燃料極，H₂經(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O^-₂反應(yīng)生成H₂O和e^-?？諝鈽O由O₂和e^-生成O^-_2。全體同其他燃料電池一樣由H₂和O₂生成H₂O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無(wú)其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

　　分類

　　燃料電池可分為很多種類型。按燃料的處理方式的不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學(xué)燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。

優(yōu)缺點(diǎn)

　　燃料電池的優(yōu)勢(shì)，科技手段中，尚沒(méi)有一項(xiàng)能源生成技術(shù)能如燃料電池一樣將諸多優(yōu)點(diǎn)集合于一身。

　　能源安全性。自1970年代的石油危機(jī)后，各大工業(yè)國(guó)對(duì)石油的依賴仍有增無(wú)減，而且主要靠石油輸出國(guó)的供應(yīng)。美國(guó)載客車(chē)輛每日可消耗約600萬(wàn)桶油，占油料進(jìn)口量之85%。若有20%的車(chē)輛采用燃料電池來(lái)驅(qū)動(dòng)，每日便可省下120萬(wàn)桶油。

　　國(guó)防安全性。燃料電池發(fā)電設(shè)備具有散布性的特質(zhì)，它可讓地區(qū)擺脫中央發(fā)電站式的電力輸配架構(gòu)。長(zhǎng)距離、高電壓的輸電網(wǎng)絡(luò)易成為軍事行動(dòng)的攻擊目標(biāo)。燃料電池設(shè)備可采集中也可采分散性配置，進(jìn)而降低了敵人欲癱瘓國(guó)家供電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　高可靠度供電。燃料電池可架構(gòu)于輸配電網(wǎng)絡(luò)之上作為備援電力，也可獨(dú)立于電力網(wǎng)之外。在特殊的場(chǎng)合下，模塊化的設(shè)置(串聯(lián)安裝幾個(gè)完全相同的電池組系統(tǒng)以達(dá)到所需的電力)可提供極高的穩(wěn)定性。

　　燃料多樣性?，F(xiàn)代種類繁多的電池中，雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備「燃料轉(zhuǎn)化器(或譯重組器，fuelreformer)」的電池系統(tǒng)可以從碳?xì)浠衔锘虼碱惾剂现休腿〕鰵湓貋?lái)利用。此外如垃圾掩埋場(chǎng)、廢水處理場(chǎng)中厭氧微生物分解產(chǎn)生的沼氣也是燃料的一大來(lái)源。利用自然界的太陽(yáng)能及風(fēng)力等可再生能源提供的電力，可用來(lái)將水電解產(chǎn)生氫氣，再供給至燃料電池，如此亦可將「水」看成是未經(jīng)轉(zhuǎn)化的燃料，實(shí)現(xiàn)完全零排放的能源系統(tǒng)。只要不停地供給燃料給電池，它就可不斷地產(chǎn)生電力。

　　高效能。由于燃料電池的原理系經(jīng)由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，而非產(chǎn)生大量廢氣與廢熱的燃燒作用，現(xiàn)今利用碳?xì)淙剂系陌l(fā)電系統(tǒng)電能的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40~50%；直接使用氫氣的系統(tǒng)效率更可超過(guò)50%；發(fā)電設(shè)施若與燃?xì)鉁u輪機(jī)并用，則整體效率可超過(guò)60%；若再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過(guò)85%。用于車(chē)輛的燃料電池其能量轉(zhuǎn)換率約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的3倍以上，內(nèi)燃引擎的熱效率約在10~20%之譜。

　　環(huán)境親和性。科學(xué)家們已認(rèn)定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌癥的元兇之一。最近的健康研究顯示，市區(qū)污染性的空氣對(duì)健康的威脅如同吸入二手煙。燃料電池運(yùn)用能源的方式大幅優(yōu)于燃油動(dòng)力機(jī)排放大量危害性廢氣的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳，但其含量遠(yuǎn)低于汽油之排放量(約其1/6)。

　　燃料電池發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生1000仟瓦-小時(shí)的電能，排放之污染性氣體少于1盎斯；而傳統(tǒng)燃油發(fā)電機(jī)則會(huì)產(chǎn)生25磅重的污染物。因此，燃料電池不僅可改善空氣污染的情況，甚可能許給人類未來(lái)一片潔凈的天空。

　　可彈性設(shè)置/用途廣。燃料電池的迷人之處在于其多樣風(fēng)貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點(diǎn)外，它還具有縮放性。利用黃光微影技術(shù)可制作微型化的燃料電池；利用模塊式堆棧配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發(fā)電元所產(chǎn)生的電壓約為0.7伏特，剛好能點(diǎn)亮一只燈。將發(fā)電元予以串接，便構(gòu)成燃料電池組，其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯(lián)的發(fā)電元個(gè)數(shù)。

　　燃料電池的劣勢(shì)主要是價(jià)格和技術(shù)上存在一些瓶頸，摘列如下：

　　燃料電池造價(jià)偏高：車(chē)用PEMFC之成本中質(zhì)子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%；鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料。

　　反應(yīng)/啟動(dòng)性能：燃料電池的啟動(dòng)速度尚不及內(nèi)燃機(jī)引擎。反應(yīng)性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應(yīng)控制參數(shù)來(lái)達(dá)到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)性與穩(wěn)定性常是魚(yú)與熊掌不可兼得。

　　碳?xì)淙剂蠠o(wú)法直接利用：除甲醇外，其它的碳?xì)浠衔锶剂暇杞?jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設(shè)備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額。

　　氫氣儲(chǔ)存技術(shù)：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車(chē)體的載運(yùn)量因而受限，每次充填量?jī)H約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車(chē)單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253℃保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測(cè)試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來(lái)維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%。

　　氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時(shí)間頗長(zhǎng)，約需時(shí)5分鐘，尚跟不上工商時(shí)代的步伐。

發(fā)電系統(tǒng)

　　天然氣發(fā)電

　　利用天然氣的發(fā)電系統(tǒng)

　　MCFC需要供給的燃料氣體是H2，它可由天然氣中的CH4改質(zhì)生成?？諝鈽O側(cè)需要的O2通過(guò)空氣壓縮機(jī)供給。另一個(gè)反應(yīng)因素CO2，空氣極側(cè)反應(yīng)等量地再利用發(fā)電時(shí)燃料極產(chǎn)生的CO2。除了有CO2外，燃料極排出氣體還含有未反應(yīng)的可燃成份，一起輸送到改質(zhì)器的燃燒器側(cè)，天然氣改質(zhì)所必需的熱量就由該燃燒熱供給。這種情況下，排出的燃料氣體會(huì)含有過(guò)多的H2O，將影響發(fā)熱量，為此通常是先將排出燃料氣體冷卻，將水份濾去后再輸送到改質(zhì)器的燃燒側(cè)。從改質(zhì)器燃燒側(cè)出來(lái)的氣體與來(lái)自壓縮機(jī)的空氣相混合后供給空氣極側(cè)。

　　在使用PAFC的情況下，若以煤炭為燃料發(fā)電時(shí)就不容易了，采用天然氣時(shí)，其構(gòu)成類似于MCFC機(jī)組，基本上是由電池本體發(fā)電。原因是PAFC排出氣體溫度較低，與其進(jìn)行附加發(fā)電不如作為熱電聯(lián)產(chǎn)電源。

　　SOFC能和較高溫度的排氣體構(gòu)成附加發(fā)電系統(tǒng)，由于SOFC不需要CO2的再循環(huán)等，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其發(fā)電效率可以達(dá)到50-60%。

　　煤炭發(fā)電

　　利用煤炭的發(fā)電系統(tǒng)

　　以MCFC為例進(jìn)行介紹。煤炭需經(jīng)煤氣化裝置生成作為MCFC可用燃料的CO及H2，并在進(jìn)入MCFC前除去其中含有的雜質(zhì)（微量的雜質(zhì)就會(huì)構(gòu)成對(duì)MCFC的惡劣影響），這種供給MCFC精制煤氣，其壓力通常高于MCFC的工作壓力，在進(jìn)入MCFC供氣前先經(jīng)膨脹式渦輪機(jī)回收其動(dòng)力。渦輪機(jī)出口氣體，經(jīng)與部分來(lái)自燃料極（陽(yáng)極）排出的高溫氣體（約700℃）相混合，調(diào)整為對(duì)電池的適宜溫度（約600℃）。該陽(yáng)極氣體的再循環(huán)是，將排出的燃料氣體中所含的未反應(yīng)的燃料成分返回入口加以再利用，借以達(dá)到提高燃料的利用率。向空氣極側(cè)供給O2和CO2是通過(guò)空氣壓縮機(jī)輸出的空氣和排出燃料氣體相混合來(lái)完成的。但是，碳酸氣是采用觸媒燃燒器將未燃的H2及CO變換成H2O和CO2后供給的。

　　排熱回收系統(tǒng)（末級(jí)循環(huán)），是由利用空氣極側(cè)排氣的膨脹式渦輪機(jī)和利用蒸汽的汽輪機(jī)發(fā)電來(lái)構(gòu)成。膨脹式渦輪機(jī)與壓縮機(jī)的相組合，其剩余動(dòng)力用于發(fā)電。蒸汽是由來(lái)自其下流的熱回收和煤氣化裝置以及陰極氣體再循環(huán)回路中的蒸汽發(fā)生器之間的組合產(chǎn)生，形成汽水循環(huán)。

　　這種機(jī)組的發(fā)電效率，因煤氣化方式和煤氣精制方式等的不同而有若干差異。利用煤系統(tǒng)SOFC其構(gòu)成是復(fù)雜的。但若用管道氣就簡(jiǎn)單多了，主要的是采用煤炭氣化系統(tǒng)造成的，其效率為45~55%。

潛力用途

　　燃料電池用途廣泛，既可應(yīng)用于軍事、空間、發(fā)電廠領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)、移動(dòng)設(shè)備、居民家庭等領(lǐng)域。早期燃料電池發(fā)展焦點(diǎn)集中在軍事空間等專業(yè)應(yīng)用以及千瓦級(jí)以上分散式發(fā)電上。電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域成為燃料電池應(yīng)用的主要方向，市場(chǎng)已有多種采用燃料電池發(fā)電的自動(dòng)車(chē)出現(xiàn)。另外，透過(guò)小型化的技術(shù)將燃料電池運(yùn)用于一般消費(fèi)型電子產(chǎn)品也是應(yīng)用發(fā)展方向之一，在技術(shù)的進(jìn)步下，未來(lái)小型化的燃料電池將可用以取代現(xiàn)有的鋰電池或鎳氫電池等高價(jià)值產(chǎn)品，作為用于筆記本電腦、無(wú)線電電話、錄像機(jī)、照相機(jī)等攜帶型電子產(chǎn)品的電源。近20多年來(lái)，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。在所有燃料電池中，堿性燃料電池（AFC）發(fā)展速度最快，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來(lái)應(yīng)用；磷酸燃料電池（PAFC）作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，是民用燃料電池的首選；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段；起步較晚的固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）作為發(fā)電領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的燃料電池，是未來(lái)大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對(duì)象。

　　多年來(lái)人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環(huán)境的能源利用方式，而燃料電池就是比較理想的發(fā)電技術(shù)。燃料電池十分復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等眾多學(xué)科相關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。

價(jià)值評(píng)估

　　燃料電池運(yùn)行時(shí)必須使用流動(dòng)性好的氣體燃料。低溫燃料電池要用氫氣，高溫燃料電池可以直接使用天然氣、煤氣。這種燃料的前景如何呢？我國(guó)的天然氣儲(chǔ)量是十分豐富的，現(xiàn)已探明陸地上儲(chǔ)量為1.9萬(wàn)億m3，專家認(rèn)為我國(guó)已探明天然氣儲(chǔ)量為30萬(wàn)億m3。中國(guó)還將利用豐富的鄰國(guó)天然氣資源，俄羅斯西西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量為38.6萬(wàn)億m3，可向我國(guó)年供氣200~300億m3；俄羅斯的東西伯利亞已探明天然氣儲(chǔ)量3.13萬(wàn)億m3，可向我國(guó)年供氣100~200億m3；俄遠(yuǎn)東地區(qū)、薩哈林島探明天然氣儲(chǔ)量1萬(wàn)億m3，可向我國(guó)東北年供氣100億m3以上。中亞地區(qū)的哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和土庫(kù)曼斯坦三國(guó)探明的天然氣儲(chǔ)量6.77萬(wàn)億m3，可向外供氣300億m3。我國(guó)規(guī)劃在2010年以前鋪設(shè)天然氣管線9000km，屆時(shí)有望在全國(guó)形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”的格局，形成可靠的供氣系統(tǒng)。其中的兩縱是南北的輸氣干線，即薩哈林島--大慶--沈陽(yáng)干線和伊爾庫(kù)茨克--北京--日照--上海輸氣干線。目前我國(guó)的生產(chǎn)能力約為300億m3/a，2010年為700億m3，2020年為1000～1100億m3。天然氣主要成分為CH4（占90%左右），熱值高（每立方米天然氣熱值為8600～9500千卡），便于運(yùn)輸，在3000公里的距離內(nèi)運(yùn)用管道輸送都是十經(jīng)濟(jì)的。

　　經(jīng)濟(jì)性

　　燃料電池是一種正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不斷的降低，PEMFC的中國(guó)國(guó)外商業(yè)價(jià)格為$1500/kW，PAFC的價(jià)格為$3000/kW。中國(guó)國(guó)內(nèi)富源公司公布其PEMFC接受訂貨的價(jià)格為10000元/kW。其他燃料電池國(guó)內(nèi)暫無(wú)商業(yè)產(chǎn)品。

　　燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資大型的火電廠每千瓦約為1.3~1.5萬(wàn)元。發(fā)電消耗的燃料為燃料電池的兩倍以上，按目前在中國(guó)天然氣最低市價(jià)（產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元/m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò)70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大，環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來(lái)這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。

類型介紹

　　堿性燃料電池

　　堿性燃料電池（AFC）是第一個(gè)燃料電池技術(shù)的發(fā)展，最初由美國(guó)航空航天局的太空計(jì)劃，同時(shí)生產(chǎn)電力和水的航天器上。AFCS繼續(xù)使用NASA航天飛機(jī)上的整個(gè)程序中，除了數(shù)量有限的商業(yè)應(yīng)用。

　　AFCS使用如氫氧化鉀在水中的堿性電解液，一般燃用純氫氣。第一個(gè)在100&ordm；C和250&ordm；C，但典型的工作溫度下運(yùn)行的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，大約有70&ordm；C。作為一個(gè)結(jié)果，在低的操作溫度，它是沒(méi)有必要采用一種在系統(tǒng)中的鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑，以加快反應(yīng)，在陽(yáng)極和陰極發(fā)生。鎳是最常用的催化劑在AFC單元。

　　由于這些細(xì)胞的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生率比較高的燃料，電力的轉(zhuǎn)換效率，在某些應(yīng)用中高達(dá)60%。

　　血糖燃料電池

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院的工程師最新研制一種微型電池原型，從人體自然血糖分子中產(chǎn)生電能。

　　這種電池將用于驅(qū)動(dòng)治療癲癇、癱瘓以及帕金森氏癥患者的大腦植入器。據(jù)悉，當(dāng)前植入人體的裝置通常是由鋰電池提供動(dòng)力，但是這種電池使用時(shí)間非常有限，必須進(jìn)行更換。再次進(jìn)入人體組織更換電池并不是醫(yī)生所喜歡做的事情，如果更換大腦植入器的電池就變得更加棘手了。

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授拉胡爾-薩爾皮什爾(RahulSarpeshkar)帶領(lǐng)一支研究小組負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究，他們使用鉑催化劑放置在末端，一層碳納米管在另一端來(lái)建造這個(gè)電池，它們放置在一個(gè)硅片上，從而將電流連接至大腦植入器上。

　　當(dāng)大腦組織中的血糖分子流經(jīng)鉑催化劑，伴隨其氧化過(guò)程，電子和氫離子將分離開(kāi)來(lái)。在電池另一端，當(dāng)氧分子與單壁碳納米管接觸時(shí)，與氫離子混合形成水，該電池最多可產(chǎn)生180微瓦功率的電能，足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)大腦植入器發(fā)送信號(hào)繞開(kāi)受損大腦組織，或者刺激大腦組織(用于治療帕金森氏癥的方法)。

　　血糖電池是一個(gè)較早的概念，最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，2010年，法國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種類似的電池用于驅(qū)動(dòng)起搏器。這種電池混合了石墨和酶，能夠從血糖中分離電子。但這種電池的問(wèn)題在于酶動(dòng)力電池?zé)o法提供像鋰電池一樣的電能輸出。

　　只要存在血糖和水，麻省理工學(xué)院最新研制的電池就能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，提供動(dòng)能的血糖來(lái)自于環(huán)繞大腦組織周?chē)哪X脊液。多數(shù)血糖并不能被人體使用，而這種電池僅使用很少部分的血糖，并不會(huì)影響大腦功能。

市場(chǎng)應(yīng)用

　　電力

　　固定燃料電池被用于商業(yè)、工業(yè)及住宅和備用電源。

　　熱電聯(lián)產(chǎn)

　　熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）燃料電池系統(tǒng)，包括微型熱電聯(lián)產(chǎn)(Microcombinedheatandpower，MicroCHP）系統(tǒng)。

　　燃料電池車(chē)(FCEVs)

發(fā)展前情

　　便攜式電子設(shè)備廠家多年來(lái)受LIB的困擾，苦于沒(méi)有出路，汽車(chē)領(lǐng)域里燃料電池的曙光激發(fā)出開(kāi)發(fā)小巧燃料電池，一發(fā)不可收拾。最先投入研究與開(kāi)發(fā)的是歐美風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)，日本便攜式電子設(shè)備制造商跟隨其后，緊追不舍，這些廠家參與燃料電池開(kāi)發(fā)，**澎湃，各自大膽采用新材料，并且相繼獲得突破性進(jìn)展，于2001年里分別發(fā)表小巧燃料電池試制品。日本便攜式電子機(jī)器廠家普遍認(rèn)為，小巧燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以取代LIB的水平。

　　技術(shù)

　　燃料電池研究與開(kāi)發(fā)集中在四大技術(shù)方面：（1）電解質(zhì)膜；（2）電極；（3）燃料；（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。日美歐各廠家開(kāi)發(fā)面向便攜電子設(shè)備的燃料電池，尤其重視（1）～（3）方面的材料研究與開(kāi)發(fā)，圖2列出一些重要的燃料電池研究課題。

　　燃料電池中僅次于電解質(zhì)膜的構(gòu)件材料便是電極材料，通過(guò)它可提取出由甲醇溶液經(jīng)過(guò)分解反應(yīng)生成的H+（質(zhì)子）和電子。在電極處的反應(yīng)，Pt發(fā)揮催化作用。反應(yīng)速度是與Pt粒子的表面成正比，所以力求Pt的粒子直徑要小，爭(zhēng)取每單位重量有更大的表面積。實(shí)踐證明，Pt粒子的直徑一小下來(lái)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)Pt顆粒凝聚而降低催化能力的問(wèn)題。NEC公司基礎(chǔ)研究所發(fā)現(xiàn)碳原子納米錐狀結(jié)構(gòu)（CarbonNano-horn）上可附著2nm直徑的Pt顆粒（Pt原子直徑為0.3～0.4nm），并且Pt不含凝聚。于是，NEC利用CarbonNano-horn材料作為電極試制出以甲醇為燃料的燃料電池。

　　燃料電池汽車(chē)的車(chē)用儲(chǔ)氫器必須具有較高的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度。美能源部認(rèn)為，車(chē)用高壓儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量密度至少應(yīng)為6%，即每立方米儲(chǔ)存60公斤氫氣。為了滿足汽車(chē)480公里續(xù)航能力的要求，一次需儲(chǔ)氫大約4到7公斤。目前小型汽車(chē)的車(chē)用儲(chǔ)氫方式大多采用高壓儲(chǔ)氫，工作壓力為70兆帕（Mpa）的碳纖維儲(chǔ)氫瓶是目前家用汽車(chē)的最佳選擇，其售價(jià)大約為3000美元。研究人員正在致力于開(kāi)發(fā)新的材料和制造工藝，以進(jìn)一步降低儲(chǔ)氫氣瓶成本。目前正在進(jìn)行的另一研究方向是，通過(guò)采用高表面積材料研究低壓吸附儲(chǔ)存氫氣。