燃料电池与氢气动力汽车

【大纪元5月11日讯】燃料电池（FuelCell），是一种直接将燃料通过电化学反应?生低电压直流电的装置，相对于其他化学电池来说，燃料电池是一种新型的电池，燃料电池有别于一般原电池与蓄电池，它所参与电极反应的活性物质并不贮存在电池内部，而是全部由电池外部提供。它的出现彻底改变了电池的不能连续工作的局面，只要不间断的通入反应物，它就可以不停地工作。燃料电池不仅可以长时间不间断地工作，而且它兼具普通化学电源能量转换效率高的优势；其次，它具有洁净和无噪音的特点。因此它已经超出了一般化学电池的定义，成为未来“氢能时代”的重要的电池发电体系的一分子。
　　
燃料电池是根据电化学反应来设计的，它的工作原理是将两个电极插入到电解液中，向两个电极分别提供燃料和氧气，通过电化学反应，来实现燃料的燃烧，虽然燃料电池有很多种类，但其基本工作原理大致相同，以氢氧燃料电池为例，其工作原理如图所示。它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。
　　
这一反应的实质是氢的燃烧反应，其中氢是一种燃料，而氧则是一个氧化剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料电池的氧化过程，而正极进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称为“燃料电极”，它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称为“氧化剂电极”。无论采用何种电解质，燃料电池的工作原理大致是相同，即氢气通过气路到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1个氢原子电解为2个氢离子，并释放出两个电子；而在阴极区，氧气通过气路到达阴极，同时氢离子穿过电解质也到达阴极，电子通过外电路到达阴极；在阴极催化剂的作用下，氧原子和氢离子发生反应生成水。
　　
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）的是近几年来发展最快的一种燃料电池技术，由于它具有电流密度大、运行温度低（一般低于100℃）、启动时间短、电极没有腐蚀问题等优点，而被认为是最有可能取代汽车内燃机的动力装置，它的研制成功将有助于解决汽车尾气对环境的污染问题。最早对其进行研究是在20世纪60年代美国的通用电气公司为NASA研制空间电源。之后其研究曾一度停止不前，直到80年代末期，以军事为目的的研制和开发，使得PEMFC技术有了较大的发展。近年来汽车用燃料电池在小型化和提高功率密度方面取得了巨大的进展：加拿大的Ballard公司制造的燃料电池公共汽车已经投入实际使用，而德国的宾士汽车公司和美国的通用汽车公司也相继推出了燃料电池样车，还有其他一些著名的汽车公司都积极致力于燃料电池汽车的研究开发工作。
　　
美国联邦政府此次斥资三亿五千万美元研发，并于二0一五年推向市场的氢气动力车，即以燃料电池为动力，因为一方面氢是地球上的第三多的元素，可以说用之不竭，另一方面则是这种汽车是真正意义上的无污染（“零排放”）汽车。这对降低空气污染与大气的温室效应十分重要。
　　
要实现氢气动力车的?业化，还有许多方面的问题需要解决。氢元素虽然丰富，但氢气并不存在于自然界中，制氢技术的发展已在工业上长期应用，然而要商业化用于氢动力汽车成本仍然需大幅度降低。汽车用的燃料电池发动机技术上已成熟，但生?成本太高。作为生?成本的汽油发动机为每千瓦三十五，而目前燃料电池发动机的生?成本约为每千瓦三千三百美元。更为关键的是如何有效在车上储存燃料电池用的氢气一直没有在技术上获得很好的解决，在现有的储氢技术中还没有一中达到氢气动力车的要求。
　　
这次美国政府斥资为各大学、国家研究所和工业界的物理、化学及材料等领域跨学科的科学家与工程师研究氢气动力车?业化中遇到的基础科学问题，其目的正是为了解决上述技术难点。在不远的将来普通人也可以驾驶对环境无污染的氢动力汽车。 @(http://www.dajiyuan.com)