燃料电池

燃料电池  
 
　　电池是把化学能、光能、热能、核能等直接转变为电能的装置，分为化学电池、太阳能电池、温差电池、核电池等。一般把化学电池简称为电池。目前市场上销售的绿色电池有： 镍氢电池，它是可充电电池，用于手机、电脑等；锂电池；全塑料电池；燃料电池。

 

　　燃料电池最早始于19世纪30年代威廉·格罗夫的一个实验，至今已有一百多年的历史。我们知道水的电解：运用电压可以把水分离为氧气和氢气。而格罗夫演示的是它的逆过程：让氢气和氧气起反应生成水时获得电能，这就是燃料电池的原理。燃料电池是一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换为电能的装置。它由燃料（如氢气、甲烷等）、氧化剂（如氧气、空气等）、电极、电解液等构成。其电极具有多孔结构，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的作用下进行电化学反应以获取电能。在氢氧燃料电池中，电解液是氢氧化钾水溶液。它在电池负极进行氢的氧化反应：H2+2OH→2H2O+2e。在电池正极进行氧的还原反应：2H2O+O2+4e→4OH。总的化学反应式是：2H2+O2→2H2O。这就是氢氧的燃烧反应，所以它叫做氢氧燃料电池。依据电解液的不同，燃料电池分为五类。

 

　　●碱性燃料电池。采用氢氧化钾为电解液。这类电池最贵，用于航天和其他特殊用途（如导弹、宇宙飞船、卫星等空间飞行器）。

 

　　●离子交换膜燃料电池。采用极薄的塑料薄膜为电解液，成本次之。这类电池用于汽车、潜艇、便携式电源、小型固定工厂。

 

　　●磷酸燃料电池。采用磷酸为电解液。这类电池用于小型固定工厂。目前世界上有数百台200 kW的磷酸燃料电池电站在运行。

 

　　●熔融碳酸盐燃料电池。采用碳酸锂或碳酸钾为电解液。这类电池用于大型固定工厂。

 

　　●固体氧化物燃料电池。采用氧化锆或氧化钇为电解液。这类电池用于大型固定工厂。

 

　　目前，应用较广的是离子交换膜燃料电池。

 

　　燃料电池把燃烧反应所放出的能量直接转变为电能，所以它的能量利用率高，是热机效率的两倍以上。它的设备轻巧，既像常规电站，能输出电能，又没有普通电站发出的噪声，只要把氢气（或者天然气、净化煤气等）和空（氧）气输入到燃料电池内，通过电—化学反应变成电能。它可连续运行，而且很少产生污染。燃料电池单位重量输出的电能大，单位重量输出的功率大。

 

　　燃料电池因为有以上的优点，在20世纪60年代第一次作为动力电源被美国用于双子座和阿波罗宇宙飞船。此外，它还能为载人航天飞船产生足够洁净的饮用水。燃料电池可军用，如用做潜水艇的推进力。近年来国际上开发出了清洁、高效、低噪声的民用燃料电池，用做电站峰值备用电源、通信台（站）电源、户用电源、动力车辆电源。随着人们对自身环境的关注、绿色环保的力度不断加大以及世界石油资源日趋枯竭，人类迫切需要一种既环保又高效的汽车用清洁再生能源。经过反复研究，燃料电池被确定为替代石油的新能源。20世纪90年代，已开发出以每公斤0．2 kW的功率密度生产5kW总功率的燃料电池。最近，美国通用汽车公司与人合作，将开发50kW的燃料电池发动机。

 

　　中国在研制燃料电池方面也取得了进展，在“863”计划和“十五”计划中，明确将替代动力汽车技术列为重点发展项目。“863”计划中的“百瓦级再生氢氧燃料电池”已通过专家组验收。熔融碳酸盐燃料电池已具备小批量生产能力。中国科学院大连化学物理研究所进行了三十多年的燃料电池研究。在催化剂、膜电极三合一制备、航天燃料电池和水下燃料电池等方面，都接近或达到世界先进水平。清华大学也已研制出燃料电池电动车。我国计划在2008年的奥运会上把燃料电池作为绿色环保电源之一向世人展示。

 

　　燃料电池的工艺要求高，所以成本昂贵。要使燃料电池最终取代内燃机，对汽车工业来说，还有诸如氢气如何制取、如何储存等问题有待解决。但有人预言：燃料电池代替活塞发动机，就像活塞发动机代替蒸气机一样，是一定会实现的。