第1章　緒論

1.1　燃料電池簡介

首先需要說明的是燃料電池雖然叫“電池”，但其本質上有別于傳統的儲能電池。儲能電池使用電化學方法儲存電能，其氧化劑和還原劑通常位于電池內部，本質上是一種儲電裝置。而燃料電池是利用電化學原理發電，其氧化劑和還原劑位于電池外部，本質上是一種發電裝置。燃料電池的歷史并不比傳統的熱機短，實際上在19世紀早期燃料電池的原理就被Humphry Davy論證，Christian Friedrich Sch¨onbein于1838年在其基礎上進行了更多的開創性工作，這直接引導化學家兼物理學家的William Grove在1839年發明了被他稱作“氣體伏打電池”的發電裝置，最終證明利用鉑催化劑使氧氣和氫氣發生電化學反應能產生電流。而“fuel cell（燃料電池）”這一稱謂則是在1889年由Charles Langer和Ludwig Mond首先使用。值得注意的是，他們在當時就已經研究使用煤氣作燃料，到20世紀早期更有直接用煤為燃料的嘗試，雖然當時不是很成功，但提供了另一種煤發電的思路，而如今直接碳SOFC（direct carbon SOFC，DC-SOFC）已成了研究熱點。1932年劍橋大學工程學教授Francis Bacon改進了Mond和Langer的裝置，發展出了第一種堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC），但直到1959年，Bacon才演示第一個具有實用價值的5kW的電池系統。與此同時Harry Karl Ihrig將一個改進的15kW“Bacon”電池裝入了一輛農用拖拉機。后來Allis-Chalmers與美國軍方合作發展了一系列燃料電池驅動的交通工具，包括叉車、高爾夫球車和潛水器。所以也正是在20世紀中葉，燃料電池開始進入實際應用，并引起各方注意。而燃料電池最風光的時刻則是在美國NASA的太空計劃中，從早期的雙子星計劃到阿波羅登月再到航天飛機都有大量的、不同種類的燃料電池被應用。發展至今，燃料電池展現出旺盛的生命力，應用領域也已擴展到海陸空天。

燃料電池之所以有如此旺盛的生命力，并在各種發電場合得到應用，主要基于以下幾個特點和優勢：首先是發電效率高，這一點很好理解，燃料電池基于電化學反應，直接將化學能轉化為電能，轉換環節少。傳統基于燃燒的發電方式，一方面受到卡諾循環的效率限制，另一方面轉換環節繁多，又進一步降低了效率。其次燃料電池比較清潔，如果是基于氫氣，那么產物只有水，在太空中，水還能進行進一步循環。即使是基于化石燃料，由于效率更高，單位發電量二氧化碳排放少，而且二氧化碳的排放純度較高，便于捕集，這在當今限制碳排放的背景下具有重要意義；此外燃料電池工作溫度一般都低于熱機內燃料燃燒的溫度，對氮氧化物（NOx）的排放也很少。然后，燃料電池沒有運動部件（部分燃料電池配套設備分系統中的泵和壓縮機除外），發電過程安靜，無振動，這也是其被用于潛艇的一大原因。最后燃料電池種類多，適用范圍廣。燃料電池發展至今已有以下幾大類：質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell，MCFC）、磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）和堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）。這些電池工作溫度有高有低，功率可大可小，燃料種類多種多樣（氫氣，甲醇，烷烴，煤制氣甚至煤粉），總有一種能匹配使用者的需求。