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1序言

為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時代》周刊評為21世紀有重要影響的十大技術(shù)之一。

2氫燃料電池工作原理

燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由3部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)，如圖1[3]。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)。

以質(zhì)子交換膜燃料電池（pemfc）為例，其工作原理如下：

(1)氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_陽極；

(2)在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質(zhì)子，并釋放出2個電子，陽極反應(yīng)為：

h2→2h++2e。

(3)在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：1/2o2+2h++2e→h2o

總的化學(xué)反應(yīng)為：h2+1/2o2＝h2o

電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)地輸出電能。

3pemfc的特點及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

燃料電池種類較多，pemfc以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。

pemfc發(fā)電機由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖2是一個典型的pemfc發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]。

(1)pemfc作為移動式電源的應(yīng)用

pemfc作為移動式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實際應(yīng)用是手機電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，pemfc是技術(shù)最成熟的電動車動力電源。

國際上，pemfc研究開發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機構(gòu)是加拿大ballard能源系統(tǒng)公司。美國h-power公司于1996年研制出世界上第一輛以pemfc發(fā)電機為動力源的大巴士[5]。近年來，我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點科技攻關(guān)計劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達到國際先進水平。

(2)pemfc作為固定式電源的應(yīng)用

pemfc除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰；也可作為獨立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)、或作為國防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。

采用多臺pemfc發(fā)電機聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點：①可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；②有利于熱電聯(lián)供（由于pemfc電站無噪聲，可就近安裝，pemfc發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達80%以上；③受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的主動防護需要；④通過天燃氣、煤氣重整制氫，可利用現(xiàn)有天燃氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為pemfc提供燃料；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運行成本降低。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。

(3)氫能電源的軍事應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為核心的新興信息技術(shù)將滲透到戰(zhàn)場的各個領(lǐng)域，從偵察、監(jiān)視到預(yù)警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動化、精確制導(dǎo)和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整個戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝負的重要因素，它不僅構(gòu)成總體作戰(zhàn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而且成為總體作戰(zhàn)能力的“倍增器”。電源作為信息技術(shù)裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關(guān)重要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分。

由于pemfc發(fā)電機工作溫度低，紅外輻射少，無震動，沒有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代軍用電源。1998年8月，美國國防部在向國會國防委員會呈遞的報告中指出：移動電力是永久性防御設(shè)施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術(shù)替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來發(fā)電系統(tǒng)采用氫氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過60%）很高，操作維護極為簡單，燃料電池發(fā)電機使氫能源作為主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。因此，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(fā)電系統(tǒng)、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰(zhàn)。

pemfc發(fā)電機的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級移動設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源、單兵和部（分）隊便攜電源、邊遠地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應(yīng)用前景。早在1960年代，美國航空航天局（nasa）就與通用電氣公司（ge）聯(lián)合開發(fā)pemfc發(fā)電機，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計劃的飛行，特別是1968年采用nafion膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用pemfc發(fā)電機，其壽命在實驗室已達57000h。后來，nasa又與hamilton標準公司合作研制rfc（再生燃料電池）系統(tǒng)，目的是配合太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測飛行器或月球基地的動力電源（太陽能電解水裝置功率35kw，pemfc發(fā)電機功率25kw）。美國空軍也與treadwell公司簽訂協(xié)議研究用于衛(wèi)星的rfc系統(tǒng)（pemfc功率12kw，電壓28v）。

在超級移動裝備（emu）應(yīng)用方面，nasa與epsi公司合作開發(fā)采用金屬氫化物儲氫的200wh和1500wh能量的pemfc系統(tǒng)，以替代現(xiàn)有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環(huán)壽命、充能速度。

pemfc在軍事領(lǐng)域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。pemfc發(fā)電機作為潛艇不依賴于空氣的推進動力（aip）源與斯特林發(fā)動機和閉式循環(huán)柴油機相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時，潛艇續(xù)航能力最強（大約為斯特林發(fā)動機的2倍），且沒有污染，因此pemfc是潛艇aip系統(tǒng)的最佳選擇。德國從1980年（也是世界上最早）開始研究基于pemfc發(fā)電機的潛艇，目前德國已能生產(chǎn)212、214型號的基于pemfc發(fā)電機的潛艇。而美國海軍與ap公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的pemfc發(fā)電機，還與treadwell公司合作設(shè)計并制造了用于水下探測器的pemfc電源。

pemfc的諸多優(yōu)點，使其在重要的民用設(shè)施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及國防（人防）領(lǐng)域都具有極好的應(yīng)用前景。目前這些地方的供電系統(tǒng)均采用以外電為主、柴油發(fā)電機組為輔的供電方式。當外電毀壞啟用柴油發(fā)電機組時，由于柴油發(fā)電機組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點，更不適合在未來高科技戰(zhàn)爭中使用。因此，研究基于pemfc的發(fā)電系統(tǒng)可有效利用氫能實現(xiàn)環(huán)保，對民用供電和國防建設(shè)都有極為重大的意義。

4結(jié)束語

氫能的利用，特別是pemfc作為新一電技術(shù)，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關(guān)注，極具開發(fā)和利用價值。隨著pemfc的技術(shù)不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應(yīng)用，并有力地推動氫能技術(shù)的發(fā)展。