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燃料电池经过165年的漫长发展历程，已从实验室走向宇航尖端领域，走向民用，逐步形成产业化、商品化，为新世纪汽车业的大发展奠定了坚实的物质基础。燃料电池汽车将引发21世纪新能源与环保的绿色革命，已经成为国际汽车业高技术竞争中的热点和夺取未来市场的杀手锏，这是现代汽车发展的新动向和必然趋势。本文较为详细地介绍了燃烧电池的优点、发展简史、发展前景及其在汽车上的应用。
关键词：燃料电池 应用
纵观世界，燃料电池汽车即将以其“清洁、安静、微笑”的形象驶入21世纪，而成为新世纪的机动车明星和人们梦寐以求的理想交通工具之一，这是现代汽车发展的新动向和必然趋势。
自从电动汽车诞生的那天起，铅酸电池就一直统治了电动汽车动力源的大好江山，但是由于铅酸蓄电池储存能量少，报废后的酸液和重金属铅严重污染环境，所以开发清洁无污染、高效率、长寿命的新能源已经成为世界汽车业的重要责任，燃料电池就是最被看好的一种新型铅酸电池替代品。
一、何为燃料电池
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，亦即通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。它的种类可以多种多样，但都基于一个基本的设计，即它们都含有二个电极，一个负阳极和一个正阴极。这二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。电极上的催化剂（如白金），常用来加速电化学反应。只要向燃料电池不断供给燃料，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。单个燃料电池块的电压小于1V，因而要将多个燃料电池组合在一起，制成电池堆，并根据电压和电流的需要将电池堆进行串联或并联，以产生足够的电力。
二、燃料电池的独特优点及发展前景
燃料的电池具有传统铅酸电池无可比拟的独特优越性，高效率、无污染、低噪声、建设周期短、易维护以及成本低是其诱人特点。
首先是它的高效率。从理论上讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用的电和热。实际上，直接甲醇燃料电池的发电效率已经达到40%，磷酸燃料的电池的发电效率接近46%；熔融碳酸盐燃料电池的发电效率也超过60%；固体氧化物燃料电池与汽轮发电机联合使用，其效率更高，能达到70%。如此高的发电效率可以说是史无前例的。
其二，具有良好的环保效益。近年来，随着世界汽车的生产量和保有量的急剧增加，其排放污染物占大气污染物的50%以上，其中CO、HC、NOX和挥发性有机物是影响空气质量的主要杀手，可导致臭氧层破坏，是温室效应的最主要根源，已经成为危害人体健康的“罪魁祸首”，全世界人们对其均“深恶痛绝”，各国都纷纷颁布愈来愈严格的法规予以控制。因此，解决环境污染问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源，而燃料电池正好符合这一环保需求。燃料电池中的氢气是唯一直接应用的燃料，它和氧气在铂催化剂的触发下发生电化学反应，其反应的副产物是水，几乎不产生其它有害物质，将其应用到汽车上，完全可以达到“零排放、零污染”。它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题，市场前景十分广阔。
其三，据专家预测，21世纪中、下叶世界石油资源将面临枯竭，以石油产品为燃料的现代汽车即将面临“饥饿”和“死亡”的威胁。而燃料电池可以用天然气、石油液化气、煤气、煤、生物质和醇类等作为燃料。这些燃料的储存量大，有些还可以再生（如生物质、醇类），已经成为解决这一世界难题的重要途径之一。
纵观全球，目前世界上几乎所有发达国家都在燃料电池的研究和开发上投入巨资和人力，燃料电池技术已经成为国际高技术竞争中的热点和夺取未来市场的杀手锏，越来越受到研究、产业界的高度重视，将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元。美国矿物能源部长助理克·西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”可以想象，如果燃料电池真能在汽车上普遍应用，那么“污染”将会成为一个遥远的名词。
三、燃料电池的发展简史
燃料电池的历史可以追溯到19世纪英国法官和科学家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所进行的电解作用实验- - 使用电将水分解成氢和氧- - 是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。后来，人们很快发现，如果要将这一技术商业化，必须克服大量的科学技术障碍。因此，人们对Grove 发明的早先兴趣便开始淡漠了。直到19世纪末，内燃机的出现和大规模使用矿物燃料使得燃料电池被论为仅仅是一次科学上的奇特事例。
燃料电池的现代发展史可以论为起始于20世纪60年代初期。当时，美国政府的新机构国家航空和宇宙航行局（NASA）正寻找为其即将进行的一系列无人航天飞行提供动力的方法。由于使用干电池太重，太阳能价格昂贵，而核能又太危险，燃料电池正好吸引了他们的视线，在空间领域的应用取得了巨大的成功，特别是在1968年，美国宇航局完成了阿波罗载人登月计划后，对燃料电池的研究便热了起来，研究项目也逐年增多。
20世纪80年代，燃料电池就开始从空间应用转入民用，除了60年代已在空间应用方面达到最高水平的碱性燃料电池（AFC）之外，还有燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）等新型燃料电池相继问世。它们被成功地用于发电站和与内燃发电机联网共同发电的民用领域，其功率达到兆瓦极，运行效率高达70%以上。90年代燃料电池最大的突破是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的发展，因为从性能、效率、重量、成本等多方面综合考察发现，PEMFC最适合燃料电动车技术。
燃料电池经过165年的漫长发展历程，已从实验室走向宇航尖端领域，走向民用，逐步形成产业化、商品化，为新世纪汽车业的大发展奠定了坚实的物质基础。
四、燃料电池在汽车摩托车上的应用
我国燃料电池研究始于1958年，70年代在航天事业推动下，燃料电池研究呈现第一次高潮。“九五”期间，科技部与中科院将燃料电池技术列入“科技攻关”重大发展项目，目标是利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新。在"九五"期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括"质子交换膜燃料电池技术"、"熔融碳酸盐燃料电池技术"及"固体氧化物燃料电池技术"三大项目， 其中用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池"列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担，所定目标业已全部实现。“十五”期间，在“科技攻关”、“863”、“973”等国家计划中都安排了有关燃料电池技术的计划和项目。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW～2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200w电动自行车用燃料电池系统。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46kw。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平。“十五”期间，国家科技部把燃料电池电动汽车列为国家“863”计划，我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。据报导中美合作的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”已经实施，北京市和上海市分别选择一条公共汽车路线进行示范试验。这个项目不仅包括燃料电池汽车本身，也将对燃料电池商业化过程中各种基础设施、能力建设、培训等进行全方位的试验示范，这将大大推动我国燃料电池汽车的商业化发展的进展，业内人士预测10年后我国燃料电池汽车产业有望形成。
1、燃料电池（PEMFC）在汽车上的应用
燃料电池最早应用于汽车上是在20世纪50年代General Electric公司发明的质子交换膜燃料电池。目前这种燃料电池是汽车公司最喜欢使用的一类燃料电池，用来取代原来使用的内燃机。质子交换膜燃料电池有时也叫聚合物电解质膜，或固态聚合物电解质膜，或聚合物电解质膜燃料电池。
质子交换膜燃料电池
在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly [perfluoro sulphonic]acid），和质子能够渗透但不导电的NafionTM ，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：
阳极：2H2 → 4H+ + 4e-
阴极：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O
整体：2H2 + O2 → 2 H2O + 能量
质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。
这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配（MEA），将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽，将燃料引导到电极上，也能通过膜电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。
质子交换膜燃料电池拥有许多特点，因此成为汽车的理想能源，它可代替充电电池。它能在较低的温度下工作，因此能在严寒条件下迅速启动。其电力密度较高，因此其体积相对较小。此外，这种电池的工作效率很高，能获得40～50%的最高理论电压，而且能快速地根据用电的需求而改变其输出。当一辆汽车使用以甲醇或天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%，与内燃机的效率25%左右相比，它们的效率可高达60%。以甲醇为燃料的燃料电池，其燃料利用率是用汽油内燃机车的1.76倍。唯一的潜在问题是燃料的质量，为了避免在如此低温催化剂受到污染，质子交换膜燃料电池必须使用没污染的氢燃料。
当前，世界各地都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，质子交换膜燃料电池为这种要求带来实质性机遇。现在，大多数汽车生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者。在这一进程中，运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利，用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验，还有另外十个欧洲城市也将在公共汽车上进行试验，伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。目前，能产生50 kW电力的示范装置业已在使用，能产生高达250 kW的装置也正在开发。
2、燃料电池在摩托车的应用
开发燃料电池摩托车，实际上是对其核心技术——燃料电池的研发。氢气是唯一在燃料电池中直接应用的燃料，但是自然界中并没有氢气资源，只能从其它能源如天然气、液化石油气、汽油、柴油、煤、生物质及醇类中，用各种途径生产出来。但也不是所有途径都可行，其成本也不低。尤为重要的是至今还无法突破技术瓶颈，其燃料液态氢的制取、存储、运输和添加是天大的难题。因此，寻求能够替代氢气直接用于燃料电池的其它燃料，从而降低燃料电池系统的体积和造价，是燃料电池摩托车研究的重点。试验证实，甲醇是目前较为理想的替代燃料。因为，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最简单的液体有机化合物，在市场上有完整的销售网络，贮存安全、携带方便。同时，由于摩托车的功率只须1.5～3kw，将直接甲醇燃料电池用在摩托车上是完全可能的。因此，人们对直接甲醇燃料电池非常感兴趣。
直接甲醇燃料电池不需甲醇重整而直接作为燃料。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。在电极上的这些反应如下：
阳极反应：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
阴极反应：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O
电池反应：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O
这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过，这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见拙。
目前，直接甲醇燃料电池技术已经获得突破。我国在中科院"九五"重大应用发展项目和吉林省应用发展项目的支持下，长春应化所在国内率先开展了"直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术"项目的研究工作。2000年该项目在直接甲醇燃料电池阳极催化剂方面的研究工作成效显著。日前，由长春应化所、北京科技大学、清华大学、北京工业大学、南京师范大学共同组成的国家“863"直接甲醇燃料电池关键材料及其制备技术项目组，在关键材料新型质子交换膜，阳极及阴极催化剂、电极/膜集合体、双极板等多方面研究取得进展的基础上，成功地组装成20W级的组合电池- - 10个单电池组合的电池堆。其单体电池性能为：在80℃～90℃下400mV时电流密度可达150mA/cm2～200mA/cm2；在中温时400mV下电流密度可达100mA/cm2～150mA/cm2，达到20世纪90年代末的国际水平，在国内处于领先地位。他们改进了直接甲醇燃料电池的关键材料- - 新型质子交换膜和催化剂，电池结构采用电路串联、物流并联的方式，催化剂中白金的含量进一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，电池寿命明显延长，最佳工作状态时电池堆发电电压2.0V，电流为10A，可以不间断地驱动许多电器设备运转。目前，该成果已申请6项中国发明专利，1项美国发明专利。
更令人欣慰的是一种具有原始创新性和自主知识产权的，直接把燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转换成电能的直接甲醇燃料电池，也已在山东理工大学山东省清洁能源工程技术研究中心研发成功。
这种新型燃料电池，是应用山东理工大学清洁能源工程技术研究中心提出的模拟生物酶燃料电池催化剂的思路，采用廉价、性能高的模拟生物酶代替当今燃料电池中使用的价格高、资源受限的铂催化剂制成的。经过近4年的实验，终于取得实验室实验发电成功。其工作原理为直接将甲醇和水混合物送至DMFC阳极，发生电催化氧化反应生成CO2,并释放出电子和质子，电子从阳极经外电路转移至阴极形成直流电。其工作温度从室温到135℃。甲醇用完后，只要补充甲醇水溶液就可以。
据山东理工大学校长姚福生院士介绍，直接甲醇燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的电化学连续反应装置，具有能量转化效率高，可靠性强，质能比高，清洁，易启动，无噪音，低辐射，隐蔽性强，模块化结构，灵活方便，可水、电、热联供等优点。
2004年初，日本雅马哈公司宣布成功试制出了配备直接甲醇式燃料电池（DMFC）的摩托车。现在，首批燃料电池摩托车正在雅马哈公司试验场进行试验，但是还要经过1年才能批量生产。关于燃料为何选择了甲醇而不是汽车制造商所用的氢，该公司表示：“由于氢燃料电池系统的重量和体积均较大，在摩托车上安装压缩氢油箱非常复杂和不安全，因此对于摩托车使用的功率不超过1kW的电池系统采用直接甲醇方式更好一些”。该车功率为500w，质量为20kg，最高速度为40km/h。燃料箱贮存浓度为50%的甲醇水溶液，在实际发电时，利用燃料电池发电反应所产生的水，把甲醇水溶液稀释到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可装5L甲醇）摩托车可行驶200km。今后雅马哈公司打算将摩托车质量减少到10kg，并给燃料电池附加一个锂离子蓄电池以改善启动和加速性能。
据报导由NASA/嘉德克喷气推进实验室（JPL）与南加利福尼亚州大学（USC）联合开发的直接甲醇燃料电池（DMFC）已获得22个专利和40多个正在申请中的美国和外国专利，这些专利包括了使用溶解于水中的甲醇为燃料的原始和基础的专利，并已通过设在美国加利福尼亚州Pasadena的直接甲醇燃料电池公司（DMFCC）实现工业化生产。
2002年，美国曼哈顿科技公司宣布，该公司与欧洲第二大摩托车厂商——意大利阿普利亚（APRILIA）公司联合开发了使用燃料电池驱动的电动摩托车，并在巴黎车展上展出。此次开发的电动摩托车名为"MOJITOFC"，配备有曼哈顿科技公司生产的输出功率为3kw的燃料电池。使用的燃料为纯氧，批量生产时的连续行驶距离为193km、最高速度可达56.3km/h。早在2001年，这两家公司就共同开发了燃料电池驱动的电动自行车，这款车使用ENJOY质子交换膜燃料电池，输出功率为 600w，使用的燃料为氢气，氢气存放于一个重0.78kg、压力为30Mpa的高压碳纤维燃料罐中，续航能力为75km（25km/h），全车重量24kg。此次推出的是第二款，配备的燃料电池由曼哈顿科学公司的德国相关公司NOV-ARS开发，具有小而轻的特点。包括电子装置、阀门、风扇等在内的燃料电池系统总重量为6kg，燃料电池本身重4.3kg。
2001年美国曼哈顿科技公司与意大利阿普利亚公司联合开发的燃烧电池自行车
德国AQWON汽车公司在“2003年汉诺威工业展”上展示了使用氢气作为燃料的轻便摩托车。最高时速为45km/h。在车辆下部配备了氢气燃料罐。内部为吸收氢气的金属合金构成。在6个大气压及20℃下可以贮藏2600L氢气。燃料充满时可以行驶100km。
2002年底，国内第一辆燃料电池自行车由上海绿亮电动自行车有限公司和美国POWERZINC公司博信电池上海有限公司合作开发成功。据介绍，这辆燃料电动自行车装备的是锌空气燃料电池。所谓锌空气燃料电池，就是通过锌离子与空气反应，把化学能直接转化为电能的装置。该车的比能量可达200w·h/kg，在同样电压条件下连续行驶里程超过200km，相当于铅酸电池的4～5倍。
综上所述，从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。高效率、环保型燃料电池汽车的产业化、商品化必将成为不可阻挡的大趋势。
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