前言介绍

科技文明不停的进步，人口不断的增加以及为了追求更美好的生活，人们不停的增加能源的使用量，使得石化燃料（石油、煤炭、天然气等）日已枯竭，大量的使用石化燃料也衍生出许多问题如：空气污染、酸雨以及温室效应等问题。据统计，以现今石油消耗的速度，地球上的石油储存量最多能再用40到50年，为了避免届时世界陷入难以估计的经济恐慌，各国提出了各种以绿色能源取代石化燃料的方案。

目前世界上绿色能源有太阳能、风力、水力、潮汐、地热、生物能以及氢能等。但太阳能转化效率不高、制造过程复杂生产成本昂贵；而风力会受到地形天候限制；水力发电建设费用相当高，且在河流上建造水坝会破坏河流生态；地热又少；因此在这些绿色能源中以燃料电池最具发展潜力。

燃料电池能够应用的领域相当广泛，包括电力、工业、运输、太空、军事、通讯产品等等。目前许多国家都在发展燃料电池，经过多年研究以及技术改良现在燃料电池技术已经进入商业化阶段，未来极有可能成为最重要的绿色科技之一。

发展历史

燃料电池技术起源于1838年，C.F.Schonbein发现了燃料电池的电，氢气与白金电极上的氯气或氧气发生的化学反应能产生电流，并将这种现象命名为极化效应。

1839年，Willian Grove设计了一款气体电池，他的基本设想来自于水的电解反应，水电解之后产生氧气和氢气，若将电解反应逆转则能产生电流，于是用两条白金分别放入两个密封的瓶子中，一瓶充满氢气，一瓶充满氧气，将两容器浸入稀硫酸溶液时，电流便在两个电极之间流动，为了提高装置产生的电压，就将四组装置串联起来，此装置就是后来全世界公认的第一个燃料电池。

1899年，Nernst提出将固态氧化物当做电解质用于燃料电池之中。

1959年，FrancisT.Bacon制作出一个5KW的燃料电池，能够推动电焊，电锯以及堆高机，使燃料电池技术走出实验室。

1960年美国太空署为了发展太空科技而开始将燃料电池实用化。

1965年氢燃料电池正式应用在太空船双子星五号上，为美国太空计划中的电力提供系统，因产物是纯水也为太空人提供饮用水。此后燃料电池在太空行动如阿波罗7~17号中均起到重责大任。

1973年发生石油能源危机，各国开始认识到能源的重要性，纷纷拟定各种能源政策以期望降低对石油的依赖。燃料电池因其高的能源转化率而引起各国重视。

1980年代环保意识的高涨，开法绿色能源技术使人类的发展不用受限于有限的天然资源，也可以让人类在享受能源提供生活便利的同时还能维持一个良好的生活环境，燃料电池以其低污染的特性再次走入大众视野。

现今燃料电池生产状况并不轻松，与化石燃料的竞争过于激烈。而且受制于成本问题，除非国家政策扶植力度大，否则很多燃料电池企业都很难盈利甚至亏损。如FuelCell能源公司2010年就在燃料电池领域亏损。但是燃料电池的优势还是十分显着的，环保方面的零排放，应用范围之广，无论大到发电厂，还是汽车，还是小到电子消费产品都可以使用燃料电池。业内认为，随着今后数十年的发展，再配合液态氢基础设施网络的建设和完善，燃料电池就会变得更稳定廉价，燃料电池发展的真正春天也就来了。

发电原理

燃料电池严格来说并非电池，算是发生电化xue反应的媒介，一种发电装置。因为所参与电极反应的活性物质不能储存于电池内部，而是由电池之外供应，所以只要燃料xue不断输入，电力就会不断的输出。

电池分类

现今燃料电池出现多种形式，人们依据电解质的不同将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池以及甲醇燃料电池等。也有依据操作温度的高低来区分为高温型（＞300℃）、中温型（150~300℃）以及低温型（＜150℃），但通常以电解质类型来区分。以下针对一些燃料电池作简单说明：

碱性燃料电池

最早是在1925年由Dr.Francis Thomas Bacon开始发展，一般被运用于人工卫星、航天及军事等用途上。因氧气在碱性溶液中的活性大于在酸性溶液中，所以可以使用非贵金属如银、镍等作为电极材料。但电解质溶液为强碱会与空气中的二氧化碳生成碳酸盐而沉积在多孔电极上造成堵塞，所以须以纯氢气作为阳极燃料，以纯氧气作为阴极的氧化剂。

磷酸燃料电池

有第一代燃料电池之称。使用浓磷酸为电解质的酸性溶液燃料电池，所以电池性能不受二氧化碳的影响，因此可将空气直接提供给阴极。目前大都运用在发电机组上，虽已商业化生产，但因为成本始终居高不下，而未能普遍。

熔融碳酸盐燃料电池

碱金属碳酸盐只有在熔融状态时，才能发挥离子传导的功能，所以操作温度须在熔点以上。在操作温度下，阴极的二氧化碳与氧气发生反应形成CO32-，CO32-经电解质导引至阳极与氢气反应，生成二氧化碳及水蒸气。二氧化碳经阳极回收后，可再循环至阴极使用。由于熔融盐燃料电池反应容易，不需以昂贵的金属作为触媒，使用镍及氧化镍即可。

固态氧化物燃料电池

固态氧化物燃料电池有第三代燃料电池的称号，电解质为固态、无孔隙的金属氧化物，由氧离子在晶体中穿梭来传送离子，电池本体材料局限于陶瓷或金属氧化物。目前技术已进入成熟稳定阶段，但仅有少数材料可于高温下长期运转且价格昂贵，因此有朝中温型电池的方向发展的趋势。

质子交换膜燃料电池

水是内部唯一的液体，虽无腐蚀的问题，但水的管理是影响燃料电池工作的重要因素。由于薄膜必须含水，所以燃料电池的操作温度必须限制在水的沸点一下，且水的产生速率需高于挥发速率，使薄膜保持充分含水的狀态。

直接甲醇燃料电池

目前氢气大多来自于甲醇的蒸汽重组，因此近年来有人将之改良成直接使用甲醇做为燃料的燃料电池。

甲烷燃料电池

甲烷是无色、无味的气体是最简单的有机物，别名：天然气，沼气。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，是沼气，天然气，瓦斯，坑道气和油田气的主要成分，对空气的重量比是0.54，比空气轻约一半。甲烷溶解度很小，燃烧时产生明亮的深蓝色火焰。有轻微的毒性。

实验室中可用醋酸钠与氢氧化钠混合加热生成碳酸钠与甲烷的方法来制备少量甲烷。大量制备甲烷，可将有机质放入沼气池中，控制好温度和湿度，经过甲烷菌快速繁殖，将有机质分解成甲烷、二氧化碳、氢、硫化氢、一氧化碳等，其中甲烷占60%-70%。经过低温液化，将甲烷提出，可制得廉价的甲烷。

甲烷燃料电池是化电池中的氧化还原电池，就是用沼气（主要成分为CH4）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O。反应中得失电子就可产生电流从而发电。美国科家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能,其效率高、污染低,是一种很有前途的能源利用方式。但传统燃料电池使用氢为燃料,而氢既不易制取又难以储存,导致燃料电池成本居高不下。

科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料,但化反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上,导致断路。美国科家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极,解决了残渣积聚问题。这种新电池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。

​反应方程式

碱性介质下

负极:CH4+10OH--8e-===CO32-+7H2O。

正极:2O2+8e-+4H2O===8OH-。

离子方程式为:CH4+2O2+2OH-===CO32-+3H2O。

总反应方程式为:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O。

酸性介质下

负极:CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+。

正极:2O2+8e-+8H+===4H2O。

总反应方程式为:2O2+CH4===2H2O+CO2。

反应情况：随着电池不断放电，电解质溶液的酸性减小;通常情况下，甲烷燃料电池的能量率大于甲烷燃烧的能量利用率。

注意：因为在酸性条件下生成CO2，这个和燃烧方程式一样，但在碱性条件下CO2变成了CO32-，所以不一样。 你可以先写燃烧方程式，再加上生成CO2和碱的反应方程式。[1]

应用前景

历史

燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格平宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，1960年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座计划双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。

发展前景

燃料电池是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力机制。燃料的选择性非常高，包括纯氢气(H2)、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到的。而以燃料电池做为汽车的动力，已被公认是廿一世纪必然的趋势。

燃料电池则是以具有可燃性的燃料与氧反应产生电力；通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷（CH4）、乙醇（酒精）、氢等这些可燃性物质都要经过燃烧加热水使水沸腾，而使水蒸气推动涡轮发电，以这种转换方式大部分的能量通常都转为无用的热能，转换效率通常只有约30%相当的低，而燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，足足比一般发电方法高出了约40%；优点还不只如此，二氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害的产生物，是一种低污染性的能源。