燃料電池(FuelCell)最早可追溯到1839年英國WilliamGrove進行的水逆電解反應時所發(fā)明的技術，至于其真正的實用化，則直到20世紀60年代才實際應用在航天及太空上。到20世紀80年代，在環(huán)保、節(jié)能等全球議題帶動下，美國、日本、加拿大、韓國及西歐各國等數(shù)百家公司及研究機構積極投入，燃料電池開始進入民用市場，到20世紀90年代后期燃料電池技術新專利不斷產(chǎn)生。近年，在低碳經(jīng)濟的全球背景下，燃料電池研發(fā)和商業(yè)化進程有加快趨勢。

1 定義

燃料電池是一種在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效率(37~70%)地轉換成化學能的電源產(chǎn)品;由于所使用的主要是氫氣、醇類等燃料，且轉動的組件極少，具有對環(huán)境負荷小(低污染)、低噪音的特點，故其不僅適合用于中央電廠和區(qū)域分散電廠發(fā)電，亦可作為交通運輸工具(例如電動汽車、電動機車及電動自行車等)的動力電源，近年來，在國際領先企業(yè)的積極投入研發(fā)推動下，具有成為便攜式電子產(chǎn)品下一代動力電池的潛力。

2 工作原理

燃料電池實質(zhì)是一種電化學裝置，組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個電極以及電解質(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，限制了電池容量，而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉換元件，因此，燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。

電池工作時，負極供給燃料(氫)，正極供給氧化劑(空氣)。具體來說，它是利用一種叫質(zhì)子交換膜的技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下，在陽極催化分解成為質(zhì)子(氫離子)和電子，氫離子進入電解液中到達正極，電子不能通過質(zhì)子交換膜達到正極，而是沿外部電路移向正極，用電的負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正極上的電子形成水并釋放熱量。

燃料電池在產(chǎn)生電能過程中并不會產(chǎn)生明火，也不需要旋轉式發(fā)動機等運動部件，因此，燃料電池構造簡單，能量利用率高，噪音小而且穩(wěn)定。理論上，應用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的60~70%轉化為動能，而內(nèi)燃機只能達到20~25%。

3 分類

燃料電池按照不同的標準可以劃分為不同的類別：如按照電池的運行機理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池;按照電解質(zhì)的種類可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC);按照燃料類型可劃分氫氣、甲醇、甲烷、乙烷等燃料電池;按照工作溫度可劃分為低溫型、中溫型和高溫型燃料電池;按照結構類型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

表1燃料電池按不同的方法分類

4 劃分標準類別

按運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

按電解質(zhì)種類分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

按燃料類型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等燃料電池

按工作溫度分為低溫型(溫度低于200℃)、中溫型(溫度為200~750℃)、高溫型(溫度高于750℃)燃料電池

按結構類型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

不同種類燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池，如受車用動力青睞的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物，不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質(zhì)量較輕。但催化劑鉑(Pt)會與工作介質(zhì)中的一氧化碳(CO)發(fā)生作用后產(chǎn)生“中毒”現(xiàn)象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑(Pt)的價格很高，增加了燃料電池的成本。

在高溫(600~1000℃)下工作的燃料電池，如熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)電廠中。

5 主要特性

傳統(tǒng)能源利用方式主要有兩大弊病：一是儲存于燃料中的化學能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能，受卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機端所獲得的效率一半以上被浪費;二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

多年來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。燃料電池十分復雜，涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等眾多學科相關理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點。

表2燃料電池主要特性

6 燃料電池發(fā)展瓶頸

燃料電池與其他動力相比雖然有許多優(yōu)點，但是也面臨成本過大、造價偏高的問題。例如車用質(zhì)子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%，質(zhì)子交換膜約占35%，這兩者的造價都很昂貴。另外，燃料電池的啟動速度與內(nèi)燃機引擎還有差距，燃料電池的反應性和穩(wěn)定性二者存在不可兼得的矛盾。同時燃料電池的碳氫燃料目前還無法直接利用，除甲烷外均須經(jīng)轉化器處理產(chǎn)生純氫才可以應用。此外，儲氫技術的制約和加氫充氣站基礎建設的不足也極大地制約了燃料電池的推廣。

總而言之，燃料電池在以下幾個方面有待突破。

燃料電池使用成本：(1)燃料電池使用貴金屬鉑作為催化，且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性;(2)氫氣制取成本高，每公斤氫氣價格為汽油的數(shù)倍，儲運難度大，氫氣儲運成本高;(3)燃料電池的穩(wěn)定性、壽命、復雜路況下的性能衰減，維護費用較高。

加氫網(wǎng)絡：氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體，且很難液化。氣體狀態(tài)下，能量密度低(680個大氣壓下的氫氣氣體，能量密度僅為一加侖汽油液體的14%)。氫能基礎設施落后，短時間內(nèi)難以組成一個像加油站一樣的網(wǎng)絡。

7 結語

通過對比不同類型電池性能和應用后，賽迪顧問認為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動力電池領域占據(jù)主導地位，但由于污染性和續(xù)航能力等問題，傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫電池將逐漸被淘汰。隨著鋰電池技術的不斷成熟，制造成本和安全性能的逐漸提高，鋰離子電池在未來五到十年內(nèi)將是動力電池發(fā)展的主流方向。

但是，鋰離子電池存在下游原料供應短缺、電池安全穩(wěn)定性差等方面問題。而燃料電池是一種純正的綠色清潔能源，可減輕溫室效應使全球氣候變暖，符合當前低碳經(jīng)濟的需要，同時氫氣等燃料供給來源途徑廣闊，燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ绻剂想姵卦诩夹g上有突破的話，燃料電池將有很大的發(fā)展空間。

燃料電池與其他動力電池比較

燃料電池是很有發(fā)展前途的新的動力電源，一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料，作為負極，用空氣中的氧作為正極．和一般電池的主要區(qū)別在于一般電池的活性物質(zhì)是預先放在入的，因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的量；而燃料電池的活性物質(zhì)（燃料和氧化劑）是在反應的同時源源不斷地輸入的，因此，這類電池實際上只是一個能量轉換裝置。這類電池具有轉換效率高、容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等優(yōu)點，但由于成本高，系統(tǒng)比較復雜，僅限于一些特殊用途，如飛船、潛艇、軍事、電視中轉站、燈塔和浮標等方面。

按電池結構和工作方式，氫氧燃料電池可分為離子膜、培根型和石棉膜三類。

1.離子膜氫氧燃料電池：用陽離子交換膜作電解質(zhì)的酸性燃料電池，現(xiàn)代采用全氟磺酸膜。電池放電時，在氧電極處生成水，通過燈芯將水吸出。這種電池在常溫下工作、結構緊湊、重量輕，但離子交換膜內(nèi)阻較大，放電電流密度小。
2.培根型燃料電池：屬堿性電池。氫、氧電極都是雙層多孔鎳電極（內(nèi)外層孔徑不同），加鉑作催化劑。電解質(zhì)為80%～85%的苛性鉀溶液，室溫下是固體，在電池工作溫度（204～260°C）下為液體。這種電池能量利用率較高，但自耗電大，起動和停機需較長的時間（起動需24小時，停機17小時）。
3.石棉膜燃料電池：也屬堿性電池。氫電極由多孔鎳片加鉑、鈀催化劑制成，氧電極是多孔銀極片，兩電極夾有含35%苛性鉀溶液的石棉膜，再以有槽鎳片緊壓在兩極板上作為集流器，構成氣室，封裝成單體電池。放電時在氫電極一邊生成水，可以用循環(huán)氫的辦法排出，亦可用靜態(tài)排水法。這種電池的起動時間僅15分鐘，并可瞬時停機。 比磷酸鐵鋰電池要更環(huán)保。

氫氧燃料電池的原理

工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（氧氣）。氫在負極上的催化劑的作用下分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。

氫氧燃料電池的優(yōu)點
1.清潔環(huán)保，產(chǎn)物是水；
2.容易持續(xù)通氫氣和氧氣,產(chǎn)生持續(xù)電流；
3.能量轉換率較高,超過80%(普通燃燒能量轉換率30%多)；
4.可以組合為燃料電池發(fā)電站,排放廢棄物少,噪音低,綠色發(fā)電站。

氫氧燃料電池的應用

作為極具發(fā)展前途的新動力電源，氫氧燃料電池的應用領域是多方面的：
1、大型電站發(fā)電
2、便攜移動電源
3、應急電源
4、家庭電源
5、飛機、汽車、軍艦

預計到本世紀20年 代，燃料電池技術的成熟將對鋰離子電池行業(yè)造成一定的沖擊，而且這種技術突破在政府政策和投入支持背景下也可能比市場預期來得要早，燃料電池的商業(yè)化進程可能會加速，因此，燃料電池目前正受到企業(yè)尤其是各國政府的重視，具備較高的投資價值。賽迪顧問認為未來燃料電池行業(yè)發(fā)展在于關鍵技術和加氫網(wǎng)絡等瓶頸的突破，投資重點在于燃料電池單體核心及成本占用較高的關鍵材料上，重點關注掌握核心技術和具備資金實力的燃料電池企業(yè)和研究機構。