第1章　绪论

1.1　燃料电池简介

首先需要说明的是燃料电池虽然叫“电池”，但其本质上有别于传统的储能电池。储能电池使用电化学方法储存电能，其氧化剂和还原剂通常位于电池内部，本质上是一种储电装置。而燃料电池是利用电化学原理发电，其氧化剂和还原剂位于电池外部，本质上是一种发电装置。燃料电池的历史并不比传统的热机短，实际上在19世纪早期燃料电池的原理就被Humphry Davy论证，Christian Friedrich Sch¨onbein于1838年在其基础上进行了更多的开创性工作，这直接引导化学家兼物理学家的William Grove在1839年发明了被他称作“气体伏打电池”的发电装置，最终证明利用铂催化剂使氧气和氢气发生电化学反应能产生电流。而“fuel cell（燃料电池）”这一称谓则是在1889年由Charles Langer和Ludwig Mond首先使用。值得注意的是，他们在当时就已经研究使用煤气作燃料，到20世纪早期更有直接用煤为燃料的尝试，虽然当时不是很成功，但提供了另一种煤发电的思路，而如今直接碳SOFC（direct carbon SOFC，DC-SOFC）已成了研究热点。1932年剑桥大学工程学教授Francis Bacon改进了Mond和Langer的装置，发展出了第一种碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC），但直到1959年，Bacon才演示第一个具有实用价值的5kW的电池系统。与此同时Harry Karl Ihrig将一个改进的15kW“Bacon”电池装入了一辆农用拖拉机。后来Allis-Chalmers与美国军方合作发展了一系列燃料电池驱动的交通工具，包括叉车、高尔夫球车和潜水器。所以也正是在20世纪中叶，燃料电池开始进入实际应用，并引起各方注意。而燃料电池最风光的时刻则是在美国NASA的太空计划中，从早期的双子星计划到阿波罗登月再到航天飞机都有大量的、不同种类的燃料电池被应用。发展至今，燃料电池展现出旺盛的生命力，应用领域也已扩展到海陆空天。

燃料电池之所以有如此旺盛的生命力，并在各种发电场合得到应用，主要基于以下几个特点和优势：首先是发电效率高，这一点很好理解，燃料电池基于电化学反应，直接将化学能转化为电能，转换环节少。传统基于燃烧的发电方式，一方面受到卡诺循环的效率限制，另一方面转换环节繁多，又进一步降低了效率。其次燃料电池比较清洁，如果是基于氢气，那么产物只有水，在太空中，水还能进行进一步循环。即使是基于化石燃料，由于效率更高，单位发电量二氧化碳排放少，而且二氧化碳的排放纯度较高，便于捕集，这在当今限制碳排放的背景下具有重要意义；此外燃料电池工作温度一般都低于热机内燃料燃烧的温度，对氮氧化物（NOx）的排放也很少。然后，燃料电池没有运动部件（部分燃料电池配套设备分系统中的泵和压缩机除外），发电过程安静，无振动，这也是其被用于潜艇的一大原因。最后燃料电池种类多，适用范围广。燃料电池发展至今已有以下几大类：质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell，MCFC）、磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）和碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）。这些电池工作温度有高有低，功率可大可小，燃料种类多种多样（氢气，甲醇，烷烃，煤制气甚至煤粉），总有一种能匹配使用者的需求。