18新利最新登入燃料电池的工作原理

燃料电池将与许多其他的能量转换设备竞争，包括燃气轮机在你的城市权力植物,汽油发动机在你的车和电池在你的笔记本电脑里。像涡轮和汽油机这样的内燃机燃烧燃料，利用气体膨胀产生的压力来做机械功。电池在需要时将化学能转换回电能。燃料电池可以更有效地完成这两项任务。

燃料电池提供直流(直流电)电压，可用于供电汽车灯或任何数量的电器。

有几种不同类型的燃料电池，每一种使用不同的化学成分。燃料电池通常按其工作温度和类型进行分类电解液他们使用。有些类型的燃料电池在固定的发电厂中工作得很好。其他可能用于小型便携式应用程序或为汽车供电。燃料电池的主要类型包括:

聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)

美国能源部(DOE)正将PEMFC视为最有可能应用于交通运输的候选者。PEMFC具有较高的功率密度和相对较低的工作温度(60 ~ 80摄氏度或140 ~ 176华氏度)。低工作温度意味着燃料电池加热并开始发电不需要很长时间。我们吗?i’我们将在下一节中仔细研究PEMFC。

固体氧化物燃料电池(SOFC)

这些燃料电池最适合用于为工厂或城镇提供电力的大型固定式发电机。这种燃料电池的工作温度非常高(在700到1000摄氏度之间)。这种高温使可靠性成为一个问题，因为燃料电池的部分部件在反复循环开关后可能会损坏。18新利最新登入然而，固体氧化物燃料电池在连续使用时非常稳定。事实上，SOFC已经证明了在某些操作条件下，它是所有燃料电池中使用寿命最长的。高温也有一个好处:燃料电池产生的蒸汽可以被输送到涡轮机中以产生更多的电力。这个过程叫做热电联产(CHP)它提高了系统的整体效率。

碱性燃料电池

这是最古老的燃料电池设计之一;自20世纪60年代以来，美国太空计划一直在使用它们。AFC很容易受到污染，所以它需要纯氢和纯氧。它也非常昂贵，所以这种类型的燃料电池不太可能商业化。

熔融碳酸盐燃料电池

与SOFC一样，这些燃料电池也最适合用于大型固定式发电机。它们在600摄氏度的温度下工作，所以它们可以产生蒸汽，用来产生更多的动力。它们的工作温度比固体氧化物燃料电池低，这意味着它们不需要这种奇异的材料。这使得设计成本降低了一些。

磷酸燃料电池

磷酸燃料电池具有应用于小型固定式发电系统的潜力。它比聚合物交换膜燃料电池在更高的温度下工作，因此它有更长的预热时间。这使得它不适合在汽车上使用。

直接甲醇燃料电池(DMFC)

甲醇燃料电池在工作温度方面与PEMFC相当，但效率不如PEMFC。此外，DMFC需要相对大量的铂作为催化剂，这使得这些燃料电池非常昂贵。

在下一节中，我们将仔细研究能源部计划用于未来汽车动力的燃料电池质子交换膜燃料电池．

的聚合物交换膜燃料电池PEMFC是最有前途的燃料电池技术之一。这种类型的燃料电池最终可能会为汽车、公共汽车甚至你的房子提供动力。PEMFC使用的是所有燃料电池中最简单的反应之一。首先，让我们来看看PEM燃料电池有什么:

在图1你可以看到PEMFC有四个基本元素:

图为加压氢气(H₂)进入燃料电池的阳极侧。这种气体在压力的作用下被迫通过催化剂。当H₂当一个分子与催化剂上的铂接触时，它会分裂成两个氢⁺离子和两个电子(e^-)．电子通过阳极，在那里它们通过外部电路(做有用的工作，如转动电机)，然后回到燃料电池的阴极一侧。

同时，在燃料电池的阴极一侧，氧气(O₂)被强制通过催化剂，在那里形成两个氧原子。每个原子都带一个强负电荷。这个负电荷吸引了两个H⁺离子穿过薄膜，在那里它们与一个氧原子和来自外部电路的两个电子结合，形成一个水分子(H₂O)。

在一个燃料电池中，这种反应只能产生0.7伏特的电压。为了使这个电压达到一个合理的水平，许多独立的燃料电池必须结合起来形成一个电池燃料电池堆．双板是用来连接一个燃料电池到另一个，并受到两者氧化而且减少条件和潜力。双极板的一个大问题是稳定性。金属双极板会腐蚀，腐蚀的副产品(铁和铬离子)会降低燃料电池膜和电极的有效性。使用低温燃料电池轻质金属，石墨而且碳/热固性复合材料(热固性是一种即使在高温下也能保持刚性的塑料)作为双极板材料。

在下一节中，我们将看到燃料电池汽车的效率。18新利最新登入

减少污染是燃料电池的主要目标之一。通过比较燃料电池驱动的汽车、汽油发动机驱动的汽车和电池驱动的汽车，你可以看到燃料电池如何提高当今汽车的效率。18新利最新登入

由于这三种类型的汽车有许多相同的部件(轮胎，传输等等)，我们将忽略汽车的这一部分，并比较效率，直到机械动力产生。让我们从燃料电池汽车开始。(所有这些效率都是近似值，但它们应该足够接近，可以进行粗略的比较。)

如果燃料电池由纯氢提供动力，它的效率可能高达80%。也就是说，它将氢的80%的能量转化为电能。18新利最新登入然而，我们仍然需要把电能转换成机械能。这是由电动机和逆变器完成的。电机/逆变器效率的合理数字约为80%。所以我们有80%的发电效率，80%的发电效率转化为机械能。总体效率大约是64%．据报道，本田FCX概念车的能源效率为60%。

如果燃料来源不是纯氢，那么车辆还需要一个改革者．重整器将碳氢化合物或酒精燃料转化为氢。它们产生热量并产生除氢以外的其他气体。他们使用各种设备试图清理氢，但即便如此，从这些设备中出来的氢也不是纯的，这降低了燃料电池的效率。由于改革者会影响燃料电池的效率，美国能源部的研究决定集中在纯氢燃料电池汽车上，尽管在氢的生产和储存方面存在挑战。

接下来，我们将了解汽油和电池驱动汽车的效率。

汽油动力汽车的效率低得惊人。所有作为废气排出或进入散热器的热量都是浪费能源。发动机还需要大量的能量来驱动各种泵、风扇和发电机来维持它的运转。所以汽车燃气发动机的整体效率是20%．也就是说，汽油中只有大约20%的热能被转化为机械功。

电池驱动的电动汽车有相当高的效率。电池的效率约为90%(大多数电池产生一些热量，或需要加热)，电机/逆变器的效率约为80%。这使整体效率约为72%．

但这并不是故事的全部。用于驱动汽车的电力必须在某个地方产生。如果它是在使用燃烧过程的发电厂产生的(而不是核能、水力发电、太阳能或风能)，那么发电厂所需的燃料只有大约40%被转化为电能。汽车充电的过程需要将交流电(AC)转换为直流电(DC)。这个过程的效率约为90%。

所以，如果我们看一下整个循环，电动汽车的效率是72%，发电厂的效率是40%，充电的效率是90%。这就给出了整体效率26%．根据所使用的发电厂类型的不同，整体效率有很大差异。例如，如果汽车的电力是由水力发电厂产生的，那么它基本上是免费的(我们没有燃烧任何燃料来产生它)，电动汽车的效率大约是65%．

科学家们正在研究和改进设计，以继续提高燃料电池的效率。一种方法是将燃料电池和电池动力汽车结合起来。福特汽车和Airstream正在开发一款由混合燃料电池驱动系统驱动的概念车HySeries开车．福特声称，这款车的燃油经济性相当于每加仑41英里。车辆使用锂电池为汽车提供动力，同时燃料电池为电池充电。

燃料电池汽车可能与依靠非燃料发电厂的电池动力汽车一样高效。但以一种可行且负担得起的方式实现这一潜力可能很困难。在下一节中，我们将研究使燃料电池能源系统成为现实的一些挑战。

燃料电池可能是我们能源问题的答案，但首先科学家们必须解决几个主要问题:

成本

与燃料电池有关的主要问题是它们太贵了。18新利最新登入燃料电池的许多部件都很昂贵。对于PEMFC系统，质子交换膜、贵金属催化剂(通常是铂)、气体扩散层和双极板占系统成本的70%[来源:氢经济的基本研究需求］．为了使价格具有竞争力(与汽油动力汽车相比)，燃料电池系统的价格必须为每千瓦35美元。目前，预计大批量生产价格为每千瓦73美元[来源:加兰］．特别是，研究人员必须要么减少作为催化剂所需的铂量，要么找到替代品。

耐用性

研究人员必须开发出耐用的PEMFC膜，能够在超过100摄氏度的温度下工作，并且在零下的环境温度下仍能正常工作。为了使燃料电池对燃料中的杂质有更高的耐受性，需要100摄氏度的温度目标。由于你相对频繁地启动和停止汽车，膜在骑行条件下保持稳定是很重要的。目前，当燃料电池循环开关时，薄膜往往会降解，特别是当工作温度升高时。

水合作用

由于PEMFC膜必须水化才能转移氢质子，研究人员必须找到一种方法来开发能够在零下、低湿环境和高工作温度下继续工作的燃料电池系统。在80摄氏度左右，如果没有高压水合系统，水分就会流失。

SOFC有一个与耐久性相关的问题。固体氧化物系统存在材料腐蚀问题。密封完整性也是一个主要问题。SOFC的成本目标是什么?s的限制比PEMFC系统少，每千瓦400美元，但由于材料成本高，没有明显的方法来实现这一目标。在电池反复加热到工作温度，然后冷却到室温后，SOFC的耐久性会受到影响。

交付

能源部?《燃料电池技术计划》指出，目前可用的空气压缩机技术不适合汽车使用，这使得设计氢燃料输送系统成为问题。

基础设施

为了使PEMFC汽车成为消费者的可行选择，必须有氢气生产和输送基础设施。这些基础设施可能包括管道、卡车运输、加油站和氢气发电厂。美国能源部希望，开发一种适销对路的汽车模型将推动基础设施的发展，以支持它。

储存及其他注意事项

300英里是传统的行驶距离(一辆装满油的汽车可以行驶的距离)。为了创造出与燃料电池汽车相当的结果，研究人员必须克服氢存储、车辆重量和体积、成本和安全性方面的考虑。

虽然PEMFC系统随着改进而变得更轻、更小，但对于标准车辆来说，它们仍然太大、太重。

燃料电池的使用也存在安全问题。立法者将必须创建新的流程，以便急救人员在必须处理涉及燃料电池汽车或发电机的事故时遵循。工程师们必须设计出安全可靠的氢气输送系统。

研究人员面临着相当大的挑战。在下一节中，我们将探讨为什么美国和其他国家投资于克服这些障碍的研究。

为什么美国政府要与大学、公共机构和私营公司合作，克服所有挑战，使燃料电池成为一种实用的能源?超过10亿美元用于燃料电池的研发。氢基础设施的建设和维护成本要高得多(有人估计高达5000亿美元)。为什么总统认为燃料电池值得投资?

主要原因与石油有关。美国55%的石油必须进口。到2025年，这一比例预计将增长到68%。美国人每天使用的石油有三分之二用于运输。即使街上的每辆车都是混合动力汽车，到2025年，我们仍然需要使用和现在一样多的石油[来源:燃料电池2000］．事实上，美国消耗了全世界四分之一的石油，尽管只有4.6%的世界人口生活在美国。美国石油依赖对国家安全的影响］．

专家预计，随着更多低成本资源的枯竭，未来几十年油价将继续上涨。石油公司将不得不在越来越具有挑战性的环境中寻找石油储量，这将推高油价。

人们的担忧远不止经济安全。美国外交关系委员会2006年发表了一份题为《美国依赖石油对国家安全的影响》的报告。一个特别工作组详细阐述了美国对石油日益增长的依赖如何危及国家安全的诸多担忧。18新利最新登入报告的大部分内容都集中在石油需求国和石油供应国之间的政治关系上。这些石油资源丰富的国家很多都位于政治不稳定或充满敌意的地区。其他国家侵犯人权，甚至支持种族灭绝等政策。为了避免为此类政策提供资金，寻找石油的替代品符合美国和世界的最大利益。

使用石油和其他化石燃料作为能源会产生污染。污染问题最近经常出现在新闻中——从电影《难以忽视的真相》(An Inconvenient Truth)到气候变化和环境污染的宣布全球变暖会影响未来的调整吗世界末日钟．对每个人来说，找到一种替代燃烧化石燃料的能源是最有利的。

燃料电池技术是解决石油依赖的一个有吸引力的替代方案。燃料电池不会产生任何污染，事实上还会产生纯净水作为副产品。虽然工程师们在短期内专注于从天然气等资源中生产氢气，但氢气倡议计划在未来研究可再生的、环保的生产氢气的方法。由于可以从水中生产氢，美国可能会越来越依赖国内能源生产。

其他国家也在探索燃料电池的应用。石油依赖和全球变暖是国际问题。一些国家正在合作推进燃料电池技术的研究和开发工作。其中一个伙伴关系是氢经济国际伙伴关系。

显然，在燃料电池成为当前能源生产方法的实际替代品之前，科学家和制造商还有很多工作要做。尽管如此，在全世界的支持和合作下，拥有一个可行的基于燃料电池的能源系统的目标可能在几十年内成为现实。