1.1概述

世界范圍內(nèi)的能源短缺問題越來越嚴(yán)重。對于傳統(tǒng)的化石燃料不可再生，且使用過程中造成的環(huán)境污染嚴(yán)重。然而，絕大多數(shù)能量的轉(zhuǎn)化是熱機(jī)過程實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)化效率低。在過去30年里，化石燃料減少，清潔能源需求增多。尋求環(huán)保型的再生能源是21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)峻的任務(wù)。因此，針對上述傳統(tǒng)能源引來的諸多問題，提高能源的轉(zhuǎn)換效率和尋求清潔新能源的研究獲得越來越廣泛的。

燃料電池(Fuelcell)是一種新型的能源技術(shù)，其通過電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能[1,2]。而且，不受地域以及地理?xiàng)l件的限制。近年來，燃料電池得到了長足的發(fā)展，并且在不同的領(lǐng)域已得到了實(shí)際的應(yīng)用。

1.2燃料電池

燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，理論能量轉(zhuǎn)化率高(在200°C以下，效率可達(dá)80%)，實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2~3倍，所用的燃料為氫氣、甲醇和烴類等富氫物質(zhì)[3]，環(huán)境友好。因此，燃料電池具有廣闊的應(yīng)用前景。下面從組成、分類和特點(diǎn)3個方面具體介紹一下燃料電池：

1.2.1燃料電池的組成

燃料電池本質(zhì)上是水電解的一個逆裝置。在燃料電池中，氫和氧通過化學(xué)反應(yīng)生成水，并放出電能。燃料電池基本結(jié)構(gòu)主要由陽極、陰極和電解質(zhì)3部分組成。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，加速電極上的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)，電解質(zhì)可分為堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質(zhì)子交換膜型等五大類型。以H2/O2燃料電池為例(圖1-1)：H2進(jìn)入燃料電池的陽極部分，陽極上的鉑層將氫氣轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子。中間的電解質(zhì)僅允許質(zhì)子通過到達(dá)燃料電池的陰極部分。電子則通過外線路流向陰極形成電流。氧氣進(jìn)入燃料電池的陰極和質(zhì)子，電子相結(jié)合生成水[4]。

1.2.2燃料電池的分類

通常燃料電池根據(jù)所用電解質(zhì)的不同來劃分，因?yàn)樗鼪Q定了燃料電池的工作溫度、電極上所采用的催化劑以及發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。燃料電池按電解質(zhì)的不同可分為五類：堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。表1.1列出了上述五種燃科電池的主要特點(diǎn)[5]。

1.2.3燃料電池的特點(diǎn)

燃料電池主要特點(diǎn)[6]如下：

(a)能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池能量轉(zhuǎn)化過程不受卡諾循環(huán)的限制，理論上最大效率可達(dá)80%以上，實(shí)際工作效率受極化現(xiàn)象等影響在40%~60%。

(b)清潔無污染。以純氫為燃料時，產(chǎn)物只有水，幾乎不產(chǎn)生有害物質(zhì)。富氫氣體為燃料進(jìn)行脫硫除氮工作，幾乎不排放硫氧化物和氮氧化物。

(c)工作噪音低。運(yùn)動部件非常少，因此其工作噪音很小，十分安靜。

(d)部件少，可靠性及維護(hù)性好。可以作為各種不間斷電源和應(yīng)急電源使用。