燃料電池,是一種將燃料所擁有的化學(xué)能直接地轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置,其又被稱作電化學(xué)發(fā)電器,其主要由電極、電解質(zhì)隔膜和集電器組成。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看,燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

 

燃料電池的發(fā)電原理

 

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置,它按照電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把儲存在燃料和氧化劑里的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能,所以實(shí)際上過程是氧化還原反應(yīng)。在運(yùn)行時(shí),外部供給電池的氫在燃料極放出電子變成氫離子,氫離子通過電解質(zhì)后轉(zhuǎn)向空氣極,而電子則通過外電路到達(dá)空氣極。在空氣極,由外部供給電池的氧,與氫離子和電子產(chǎn)生反應(yīng)生成水。電能則由外電路進(jìn)行輸出。燃料電池和普通的干電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置,但是兩者有一個(gè)很大的不同點(diǎn),即封存在干電池中參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)最終會消耗殆盡,反應(yīng)停止,就不能再輸出電能;但是對燃料電池來說,只要能不斷地給它提供燃料氣體和氧化劑,化學(xué)反應(yīng)就能一直進(jìn)行下去,從而不停地輸出電能。燃料電池研究與開發(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發(fā)，

 

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，通過它可提取出由甲醇溶液經(jīng)過分解反應(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，會出現(xiàn)多個(gè)Pt顆粒凝聚而降低催化能力的問題。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。

 

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