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(zhì)上有別于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電池。儲(chǔ)能電池使用電化學(xué)方法儲(chǔ)存電能，其氧化劑和還原劑通常位于電池內(nèi)部，本質(zhì)上是一種儲(chǔ)電裝置。而燃料電池是利用電化學(xué)原理發(fā)電，其氧化劑和還原劑位于電池外部，本質(zhì)上是一種發(fā)電裝置。燃料電池的歷史并不比傳統(tǒng)的熱機(jī)短，實(shí)際上在19世紀(jì)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(chǔ)上進(jìn)行了更多的開創(chuàng)性工作，這直接引導(dǎo)化學(xué)家兼物理學(xué)家的William Grove在1839年發(fā)明了被他稱作“氣體伏打電池”的發(fā)電裝置，最終證明利用鉑催化劑使氧氣和氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)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(dāng)時(shí)就已經(jīng)研究使用煤氣作燃料，到20世紀(jì)早期更有直接用煤為燃料的嘗試，雖然當(dāng)時(shí)不是很成功，但提供了另一種煤發(fā)電的思路，而如今直接碳SOFC（direct carbon SOFC，DC-SOFC）已成了研究熱點(diǎn)。1932年劍橋大學(xué)工程學(xué)教授Francis Bacon改進(jìn)了Mond和Langer的裝置，發(fā)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(gè)具有實(shí)用價(jià)值的5kW的電池系統(tǒng)。與此同時(shí)Harry Karl Ihrig將一個(gè)改進(jìn)的15kW“Bacon”電池裝入了一輛農(nóng)用拖拉機(jī)。后來Allis-Chalmers與美國軍方合作發(fā)展了一系列燃料電池驅(qū)動(dòng)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(jì)中葉，燃料電池開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，并引起各方注意。而燃料電池最風(fēng)光的時(shí)刻則是在美國NASA的太空計(jì)劃中，從早期的雙子星計(jì)劃到阿波羅登月再到航天飛機(jī)都有大量的、不同種類的燃料電池被應(yīng)用。發(fā)展至今，燃料電池展現(xiàn)出旺盛的生命力，應(yīng)用領(lǐng)域也已擴(kuò)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(fā)電場合得到應(yīng)用，主要基于以下幾個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)勢：首先是發(fā)電效率高，這一點(diǎn)很好理解，燃料電池基于電化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少。傳統(tǒng)基于燃燒的發(fā)電方式，一方面受到卡諾循環(huán)的效率限制，另一方面轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)繁多，又進(jìn)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(chǎn)物只有水，在太空中，水還能進(jìn)行進(jìn)一步循環(huán)。即使是基于化石燃料，由于效率更高，單位發(fā)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(dāng)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(jī)內(nèi)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(yùn)動(dòng)部件（部分燃料電池配套設(shè)備分系統(tǒng)中的泵和壓縮機(jī)除外），發(fā)電過程安靜，無振動(dòng)，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(fā)展至今已有以下幾大類：質(zhì)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。