工作原理，并与常规电池、热机等进行比较。扼要说明燃料电池的发展历史、燃料电池的类型，以及应用领域和我国燃料电池技术的发展。
关键词： 燃料电池 类型 应用
世界需要一种低污染物质排放、高能量效率的电源，并且面对日益增长的世界人口，需要提供源源不断的燃料。燃料电池（fuel cell）被认为是能实现这些目标的、有前途的技术之一，因而备受青睐。
1.什么是燃料电池
燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能。一般而言，对发电来说，燃料电池只是一种能量转换设备。燃料电池的基本物理结构由一个电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴极相连，气态燃料连续不断地输入阳极（负电极），同时氧化剂连续不断地输入阴极（正电极），在两个电极上发生电化学反应，产生电流。
1.1与常规电池的比较
常规电池可用的最大电能取决于保存在电池自身中的化学反应物的数量，它将燃料和氧化剂反应物置于其自身内部（随电池储存）。在可再生电池中，通过再充电再生反应物，这涉及从外部电源将电能输入电池。常规电池的寿命是有限的，其原因是：当储存在电池中的化学反应物用完后，电池就停止发电。此外，在不使用时，电池也在发生非常缓慢的电化学反应，这也限制了电池的寿命。在反应过程中，也用到电池的电极，因此电池的寿命在一定程度上取决于电极的寿命。燃料电池它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。只要提供燃料和氧化剂，燃料电池就能供电。理论上，只要持续不断地供给燃料和氧化剂，燃料电池就能源源不断地产生电能。此外，燃料电池不存在任何“泄漏”问题［１］，当系统不使用时，燃料电池的组成部件不会发生任何侵蚀现象。
1.2与热机的比较
热机与燃料电池二者都使用化学燃料作为能量来源，热机也可将化学能转换为电能，但这需要经过若干中间步骤，即首先通过燃烧将化学能转换为热能，然后通过热机将热能转换为机械能，最后通过发电机将机械能转换为电能。由于能量过程基于热机，而热机工作于一个低温和一个高温之间，因此其最大效率受限于卡诺定律。在燃料的利用率上热机中的内燃机只有18％的效率而对于燃料电池这个效率可高达80％［２］。
2.燃料电池的历史
1826年欧姆定律发表后，大约在距今160年前的1839年，英国格罗夫（William Grove）发表了世界上第一篇有关燃料电池的研究报告。整个19世纪，对各种各样的燃料电池理论进行了研究；在20世纪，对这些概念的实用性进行了研究。1960年通用电气公司开发成功质子交换膜燃料电池，1962年质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船，1965年碱性燃料电池用于阿波罗飞船，1967年通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽车Electrovan，1988年第一艘AFC燃料电池潜艇在德国出现，1991年日本千叶县的11MW磷酸燃料电池试验电厂达到设计功率，国际上已形成了燃料电池的开发热。
3.燃料电池的类型
燃料电池的分类有多种方法，有按电池工作温度高低分类、有按燃料的种类分类，也有按电池的工作方式来分类的。普通接受的是按照电解质的不同分作五类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphorous Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell或Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。如表1所示。
4.燃料电池的应用
作为一种清洁、高效而且性能稳定的电源技术，燃料电池已经在航空航天领域及军事领域得到了成功的应用。现在世界各国正在加速其在民用领域的商业开发。与现有技术相比，燃料电池在电源、电力驱动、发电等领域内都有明显的优点，具有广泛的应用前景。目前已应用于便携式电源、燃料电池电动车、燃料电池电站和燃料电池舰艇与飞机等领域。
4.1便携式电源
使用便携式燃料电池的最大好处是，是一种紧凑、轻型、高效、持久的便携式电源，可以延长设备工作的时间而无需再充电。大多数用做二次电源的普通电池都带有充电器系统，它们由交流充电器组成，为了充电，必须插入电源插座中或者由直流充电器组成，它们将依靠其他普通电池进行再充电。这些解决方案对许多军事和未来便携式电子设备而言是不可行的，原因是它们太重、不实用，无法满足当前电源需求。便携式燃料电池可用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、军事装备等。
4.2燃料电池电动车
目前世界各大汽车制造商都先后投入巨资开发燃料电池电动汽车，1993年世界上第一辆燃料电池公共汽车在加拿大的巴拉德电力系统公司（Ballard Power System）诞生。该车为120kW PEMFC电池组，使用压缩氢气作燃料，行驶速度95km/h，行程可达400km;通用汽车公司和戴姆勒—克莱斯勒汽车公司、日本丰田、本田等公司都相继展出、示范了他们开发的燃料电池汽车，如通用的HydroGen3、戴姆勒—克莱斯勒的F-Cell、丰田的FCHV4、本田的FCXV3等。美国通用汽车公司（GM）的燃料电池小轿车在2000年悉尼奥运会上为马拉松长跑选手开道；2002年5月戴姆勒—克莱斯勒公司的甲醇重整制氢小轿车从美国西海岸旧金山出发，横穿美国大陆，到达首都华盛顿，行程5000多公里，历时16天，最高时速达160km，平均时速达60km。
4.3燃料电池电站
在全世界范围内，固定电站是燃料电池尝试和测试最多的应用方式。燃料电池大型电站的研究开发已有30多年的历史了。目前，全世界共有200多台200kW的各种类型的燃料电池电站在运行，千瓦级家用燃料电池热电联供小电站也已经试制成功。燃料电池作为发电技术比传统火力发电技术有着效率高和污染少的优点，但目前缺点是成本过高。
4.4燃料电池舰艇与飞机
2003年4月7日，世界上第一艘质子交换膜燃料电池潜艇在德国基尔港下水，德国著名造船企业霍瓦兹造船公司建造的这艘212A型潜艇被命名为U31，这艘潜艇被誉为世界上最先进的常规动力潜艇。美国、俄罗斯、法国、瑞典等国也在积极研制燃料电池潜艇。美国Aerovironment公司一直在开发高空太阳能和电能飞机，该公司与NASA一起开发了燃料电池/太阳能飞机“太阳神”。以色列也在开发燃料电池驱动的无人驾驶飞行器，德国空中客车公司正在进行氢作燃料的客机研究。
5.我国燃料电池技术的发展
我国从“九五”计划开始，已经列有燃料电池科技攻关重点项目，以后又有多项“863”、“973”和科技专项支持，已累计投入30多亿元。中科院大连化学物理研究所对PEMFC进行了详尽的研究并开发出多种功率等级的PEMFC。大连化学物理研究所研发的单电池性能已达到日本20世纪80年代中期水平，正准备开展百万级MCFC装置的研制；上海交通大学率先在国内成功进行1-115kW的MCFC发电实验，该项目目前已通过成果鉴定；上海汽车工业（集团）总公司2006年成功试制了一辆自主品牌燃料电池客车；在2008年北京奥运会上我国成功组织和进行了23辆燃料电池汽车的示范，2010年上海世博会则投入近200辆燃料电池车辆作为观光和服务用车；清华大学核能与新能源技术研究院在2004年世界氢能论坛上展示了5kW质子交换膜燃料电池电站；2008年北京科技大学与清华大学、北京富原公司、汉能科技有限公司联合攻关研制了10kW分布式燃料电池电站。欧美和日本在燃料电池的研制和应用上处于世界领先地位，我国在燃料电池领域正加紧步伐缩短和国外的差距，逐渐呈现快速发展的态势。
参考文献：
［1］［美］Colleen S.Spiegel著.马欣，王胜开等译.燃料电池设计与制造［M］.北京：电子工业出版社，2008.
［2］纪秀磊.说说燃料电池（上）［J］.中学生数理化：八年级物理（人教版），2011（11）：39.
［3］黎永祥，姚丹丹.新型化学电源-燃料电池［J］.湖南工业职业技术学院学报，2006（4）：32.
［4］张文毓.燃料电池的开发与应用［J］.船舶物资与市场，2012（1）：32.
［5］［美］Colleen S.Spiegel著.马欣，王胜开等译.燃料电池设计与制造［M］.北京：电子工业出版社，2008.