1、发展燃料电池的历史意义何在？
第一代动力系统蒸汽机和第二代动力系统内燃机消耗了大量不可再生的自然化石能源资源，且造成了严重的环境污染。人类社会的可持续发展问题正面临严峻挑战。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增长，全世界的能量消耗在今后二十年至少增加一倍。如果没有新型能源动力，世界将从目前的能源短缺很快走向能源枯竭。为了解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成了十分紧迫的任务。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术就是这样一种绿色能源技术，它使用可再生的能源资源——氢气，可实现零排放。
PEMFC是具有能源革命意义的新一代能源动力系统，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。鉴于氢燃料电池对解决“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题有重要意义，国际能源界普遍认为氢能是一种可持续发展的能源，21世纪将是氢能世纪，人类将告别化石能源而进入氢能经济时代。
2、 燃料电池有哪些种类？
燃料电池按照不同的分类标准，有不同的名称。如以工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料电池。但目前最常用的方法还是以燃料电池中最重要的组成部分即电解质来划分。电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质划分，燃料电池大致可分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。下表列出了上述五种燃料电池的主要特点。
3、燃料电池是如何工作的？
燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。
PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术，其工作原理如图一所示：
（1）氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。
（2）氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。
（3）在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水
燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70-800C），启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80度，故称为“冷燃烧”。
4、PEMFC有哪些用途？
PEMFC应用十分广泛。实际上，凡是需要能源、动力的地方都可以应用PEMFC。PEMFC的主要应用领域可分为以下三大类：
一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。
PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携计算机等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。
二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。
PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。PEMFC可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达1.4KW/公斤或1.6KW/升。
用作电动自行车、助动车和摩托车动力的PEMFC系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用的PEMFC动力系统的功率一般为10-60KW。公交车的功率则需要100-175KW。
PEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义。美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以PEMFC为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久。
三是可用作分散型电站。PEMFC电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。
与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：（1）可省去电网线路及配电调度控制系统；（2）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可以就近安装，PEMFC发电所产生的热可以进入供热系统），可使燃料总利用率高达80％以上；（3）受战争和自然灾害等的影响比较小；（4）通过天然气、煤气重整制氢，使得可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于广大的农村地区和边远地区），使系统建设成本和运行成本大大降低。因此，PEMFC电站的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。
综上所述：PEMFC应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。鉴于其重要性，燃料电池已经被美国列为使美国保持经济繁荣和国家安全而必须发展的27项关键技术之一，并被美国、加拿大等发达国家认定为21世纪首选的清洁能源系统。2000年，燃料电池还被美国《时代》周刊评为21世纪对人类社会有重要影响的十大技术之一。
5、PEMFC有哪些优点？
与其他种类的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要有以下优点：
（1）能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制。
（2）可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，是环保型能源。
（3）运行噪声低，可靠性高。PEMFC电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。
（4）维护方便。PEMFC内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计。
（5）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。
（6）氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。
（7）氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。
燃料电池使用氢气为燃料。在近5—10年内，氢气的来源可能仍以化石燃料重整制氢为主；但从长远来说，人们更倾向于将氢气视为储能载体，氢气来源将主要依靠可再生的能源资源。在人类社会进入氢能经济时代后，氢能将主要来自太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能以及生物能。太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能将大规模用于发电并用于电解水，从而大量地将这些不可直接存储的能量以氢能形式存储起来，供人们需要时使用；此外，通过生物制氢的方法，城市和农村地区可以从有机垃圾和植物体中获取大量的生物能（如甲烷）。
6、国内外PEMFC发展的进展
PEMFC研究开发领域的权威机构是加拿大的Ballard能源系统公司。1989年，该公司在加拿大国防部资助下，从美国国防部购买了燃料电池技术。经过十多年的研究开发，成功地研制出了多种系列的PEMFC。1994年以来，Ballard公司先后与奔驰、大众、通用、福特、丰田、日产等著名汽车公司合作，开发出多种PEMFC汽车。
从1997年起，Ballard公司与奔驰、福特等公司共同投资建立了PEMFC发动机公司，在温哥华和多伦多，年产20万台电动车发动机的两个生产企业已在建设之中，计划2003年把PEMFC电动车正式推向市场。Ballard公司还与美国、法国的大型供电公司共同投资组建了合资企业，生产250KW级分散型PEMFC电站设备。这些公司的建立标志着PEMFC氢能源系统已走出实验室，进入了加速产业化的阶段。在美国，Plug-Power、H-Power等公司生产的以天然气为燃料的5－10KW PEMFC小型电站已经投放市场，这种电站适用作家庭电站、应急电源、不间断电源。
除美国、加拿大外，日本、德国、英国、意大利、俄罗斯等国以及一些著名跨国企业也加入了研制PEMFC系统和PEMFC电动车的行列。自2000年下半年石油价格问题引起各国严重关注以来，发达国家（特别是美国）都大大加强了对燃料电池技术商业化的投入，仅美国能源部的研究经费预算就超过1亿美元，大大超出前一年度的预算；而且，研究重点具有明显的产业化导向，如：相关材料部件，应用开发，行业标准，环境配套，发展战略，市场策略等。
在我国，PEMFC和电动车已被列入“九五”国家科技攻关计划，不久前，“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”也已入选2000年“国家重点基础研究项目”。PEMFC电动车还被列为面向产业化的国家“十五”“863”重大科技攻关专项和上海市“十五”重大科技攻关项目。另外，我国与意大利在氢能技术开发上的合作项目也即将启动。
国家科技部一位官员说：搞电动汽车，我们与发达国家几乎是站在同一起跑线上，但我们没有庞大的传统汽车产业的包袱。燃料电池电动车是我们选中的重要发展方向，我们要争取在发展燃料电池电动车方面实现我国汽车工业的跨越式发展。
目前，在国内为数不多的几家PEMFC研究开发机构中，神力公司在技术上有一定优势：电池组的功率密度高（10KW电池组的体积功率密度已达每升400W以上）；燃料使用效率高（采用了氢气的100%利用技术）；实用性、安全性、可靠性都非常好（使用氢气和空气，而不使用氧气）。
7、PEMFC产业的发展潜力
2000年，美国高科技股票市场“熊”途漫漫，但燃料电池行业的股票却风景这边独好，燃料电池类上市公司股票价格的表现成为NASDAQ市场上耀眼的亮点，以至于股评界呼出了“Will the Fuel Cell（燃料电池）Fuel the Bear Market Out?”比尔·盖茨2001年1月购买了正在开发家用燃料电池发电装置的Avista公司5％的股份，两天内该股票暴涨90％；Plug Power公司1999年10月上市，迅速从15美元（发行价）飚升至140美元。燃料电池类上市公司股票为什么被看好？关键是好在其行业前景。
能源与信息技术一样，都具有十分广阔的应用前景，具有全方位的市场渗透性。在信息产业，任何一项具有划时代意义的技术革命，都将为相关产业和相关市场带来数十年的高速成长，微处理器技术和互联网技术都是明显的例证。从七十年代初期微处理器问世到八十年代个人计算机开始进入家庭，微处理器、个人计算机技术及市场一直在高速发展，预计这种发展态势至少还将持续50年，直至“无处不计算机、无处不互联网”。
PEMFC作为新一代能源技术，其广阔的应用前景可与计算机技术比美。随着PEMFC用作汽车和摩托车等交通工具动力系统，用作可移动小型供电系统，用作电子设备的不间断电源，用作分散型电站，用作军事、医疗、娱乐场所等的应急电源等，各种各样的PEMFC产品将渗透到社会各行各业乃至普通家庭。经过九十年代初开始的十多年的技术研究、产品开发、产业化推进、应用配套设施建设和市场培育，预计从2000年代初开始的几十年中，世界PEMFC市场将进入高速成长期。保守地估计：伴随氢能世纪的到来，PEMFC及相关产业和相关市场至少将有50年的高速成长。人类正处在能源技术革命的时代，处在能源更新换代的时代。
实际上，由于目前国际上在PEMFC领域的激烈竞争以及各有关国家政府对发展新一代环保型能源动力系统的大力支持，PEMFC市场很可能提前启动，而且，其增长速度可能大大超出我们的预料。据美国宇航局（NASA）分析：到2002年，燃料电池市场的年销售额将达到80亿美元。
目前，PEMFC在技术上已经成熟，其推广应用的障碍主要是价格问题。构成PEMFC的一些材料的成本目前还比较高。但我们只要回顾一下电子计算机从电子管到晶体管、到小规模集成电路，再到中大规模继承电路，最后到超大规模集成电路的几代发展史，我们不难得出推断：PEMFC最终将与计算机一样进入各行各业，千家万户。
最初的电子计算机体积庞大，价格昂贵，只能用于某些特殊领域（如军事、航天、气象），但自从大规模集成电路技术使计算机进入个人计算机时代以后，计算机就进入了全面普及应用的新阶段。
最早的燃料电池出现在1960年代初，应用于阿波罗宇航计划。1980年代中后期，开始了燃料电池的民用研究。经过十多年的发展，燃料电池应用技术已趋成熟。燃料电池的应用推广与计算机的应用推广将呈现类似的模式，即：随着燃料电池构成材料部件的发展及成本的降低、制造工艺技术的改进以及生产规模的扩大，燃料电池将从能够承受较高成本的应用领域逐步向能够承受较低成本的应用领域进行梯度扩散。
实际上，燃料电池技术与内燃机技术几乎是同年代的产物。但石油资本家推动了内燃机的发展，而燃料电池却被工业界遗忘了。然而值得一提的是：早在130多年前，儒勒·凡尔纳就先知先觉地指出：“Water is the coal of the future（水是未来的煤）”，他还进一步指出：“首先，我们必须能够成功地利用构成水的元素——氢和氧。”在燃料电池技术获得了长足进展、即将进入大规模产业化的今天，我们对圣贤先哲真知灼见的预言感到由衷的钦佩，对氢能时代的到来充满信心。
1/10/2005
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