能源是與人類社會(huì)生存與發(fā)展密切相關(guān)的問題，持續(xù)發(fā)展是全人類的共同愿望與奮斗目標(biāo)。人們已經(jīng)意識(shí)到以化石能源為代表的礦物能源最終將會(huì)枯竭。中國(guó)是能源短缺的國(guó)家，石油儲(chǔ)量只占世界的2%，中國(guó)自1993年首度成為石油凈進(jìn)口國(guó)，原油對(duì)外依存度由1993年的6%一路攀升，到2006年突破47%，其后每年都以2～3個(gè)百分點(diǎn)的速度向上攀升，直至突破50%的警戒線，并一路攀升至2011年的新高56.4%，創(chuàng)下歷史新高。即使占中國(guó)目前能源構(gòu)成近70%的煤，如圖1所示，按照現(xiàn)有儲(chǔ)量和使用速率，也只夠用100余年，因此中國(guó)的能源形勢(shì)十分嚴(yán)峻，能源安全將面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
 

另外，中國(guó)的能源使用比例嚴(yán)重失調(diào)，普遍使用的煤炭等礦物燃料燃燒時(shí)，會(huì)釋放出SO₂、CO、CO₂、NO_X等對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，隨著能源消耗量的增長(zhǎng)，有害污染物的釋放量在快速增加，造成溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧、酸雨、臭氧層空洞等嚴(yán)重的環(huán)境問題，危及人類的生存和發(fā)展。例如，現(xiàn)在的空氣污染問題尤為突出，2013年1月中國(guó)中東部就有四次大范圍的霧霾天氣，PM2.5再次受到人們的關(guān)注，而造成PM2.5居高不下的罪魁禍?zhǔn)讋t是大量使用化石能源和汽車尾氣的排放，因此調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已迫在眉睫。

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^{［1］［2］}。氫能因燃燒熱值高、污染小，資源豐富成為新能源研究的對(duì)象，氫（H₂）燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國(guó)《時(shí)代周刊》評(píng)為21世紀(jì)有重要影響的十大技術(shù)之一。

燃料電池是一種將儲(chǔ)存于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其研究開發(fā)已半個(gè)多世紀(jì)，并取得了很大的成就。它作為一種綠色能源技術(shù)，可以同時(shí)解決環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源兩大社會(huì)難題。目前，燃料電池按照電解質(zhì)的不同主要分為5種類型，如表1所示^［3］，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。表1給出了幾種主要的燃料電池的基本性質(zhì)和應(yīng)用?？梢?，根據(jù)其各自的特性，燃料電池可以應(yīng)用在不同場(chǎng)合，從小型便攜式電源，到中型社區(qū)的熱電聯(lián)供，再到大型的固定電站等均可得到有效應(yīng)用。
 

最近幾年，PEMFC、SOFC、DMFC取得了迅猛發(fā)展，應(yīng)用前景普遍被各國(guó)認(rèn)可，部分燃料電池目前已經(jīng)邁向市場(chǎng)，有望取得大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用，因此本文著重介紹上述三種燃料電池。

一 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

（一）PEMFC基本原理及簡(jiǎn)介

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是General Electric公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，化學(xué)反應(yīng)過程同酸性電解質(zhì)燃料電池類似。工作環(huán)境溫度為60℃～80℃，屬于低溫燃料電池，其電解質(zhì)是固體的、不流動(dòng)的，電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程相當(dāng)于水電解的逆過程。工作原理圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成。氫氣（H₂）在陽極催化劑作用下，解離為帶正電的氫離子并釋放出的電子，氫離子穿透質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；電子在外電路形成電流；在電池陰極，氧氣（O₂）在陰極催化劑作用下與氫離子發(fā)生反應(yīng)生成水^［4］。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆（簡(jiǎn)稱電堆）^［5］。
 

（二）PEMFC的優(yōu)點(diǎn)

效率高：對(duì)于PEMFC，由于工作過程中不涉及氫氧的燃燒，僅僅是氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，因而不受卡諾循環(huán)的限制，其能量轉(zhuǎn)化效率比較高，可以達(dá)到83%左右，是普通內(nèi)燃機(jī)的兩倍。與其他形式的發(fā)電技術(shù)相比，除核能外，這種發(fā)電形式平均單位質(zhì)量燃料所能產(chǎn)生的電能燃料是最高的。

無污染：PEMFC的反應(yīng)是電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒方式，因此無污染。燃燒會(huì)釋放有害氣體和塵埃等。PEMFC只會(huì)產(chǎn)生水和熱，如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的，整個(gè)過程就是徹底地不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。

無噪聲：燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有50分貝左右，相當(dāng)于人們正常交談的無噪聲水平，適宜于安裝在室內(nèi)或室外對(duì)噪聲有限制的地方。

無振動(dòng)：PEMFC內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)過程中，不需要運(yùn)動(dòng)部件傳遞能量和做功，因此沒有運(yùn)動(dòng)部件工作產(chǎn)生的振動(dòng)。[!--empirenews.page--]

安全可靠性：PEMFC的安全可靠性主要來自電堆和

電堆材料的模塊特性，同時(shí)由于燃料電池中沒有運(yùn)動(dòng)部件而且易于維護(hù)，這些都給PEMFC提供了較高的運(yùn)行可靠性。隨著PEMFC的發(fā)展，電池的模塊性越來越明顯，可靠性越來越高，壽命也越來越長(zhǎng)。

模塊化：燃料電池從原理上可以和普通電池一樣，做成一個(gè)個(gè)很小的單體（模塊），若干個(gè)單體組成一個(gè)燃料電池系統(tǒng)。模塊化技術(shù)提高了燃料電池的可靠性，減少了移動(dòng)部件，便于組裝和保養(yǎng)。

（三）PEMFC的應(yīng)用與市場(chǎng)狀況

目前，PEMFC是汽車研發(fā)公司最為喜歡的一類燃料電池，研究者正嘗試用它來替代原先使用的內(nèi)燃機(jī)。另外，PEMFC可以為絕大多數(shù)軍事裝置（戰(zhàn)場(chǎng)上的移動(dòng)手提裝備，水下機(jī)器人，地下工事，海、陸運(yùn)輸工具等）提供動(dòng)力。21世紀(jì)前十年，是PEMFC從特殊應(yīng)用和示范運(yùn)行轉(zhuǎn)到產(chǎn)業(yè)化、民用化階段的重要時(shí)期。按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，我們完全相信，PEMFC技術(shù)將在21世紀(jì)應(yīng)用到我們生活的很多方面，從分布式電站到移動(dòng)式電源，從電動(dòng)汽車^［6］到航天飛機(jī)，從軍用裝置到民用產(chǎn)品^{［7］［8］}。表2給出了PEMFC在不同領(lǐng)域的應(yīng)用成本和技術(shù)目標(biāo)，從表中可以看到，部分燃料電池產(chǎn)品已經(jīng)具備進(jìn)入市場(chǎng)的成本、壽命等必要條件。

1. PEMFC在分布式能源中心及熱電聯(lián)產(chǎn)、固定電站方面的應(yīng)用

分布式發(fā)電^{［9］［10］}（Distributed generation，DG）簡(jiǎn)單地說就是將原來建在較遠(yuǎn)距離的大容量熱電廠（或者電廠），改為在市區(qū)內(nèi)建設(shè)一些小容量熱電廠（或電廠），規(guī)模一般較小，通常為幾十千瓦至幾十兆瓦，這樣能降低成本并提高能源的利用效率，還可以采用冷、熱、電聯(lián)供方式^［11］。分布式能源中心所使用的能源包括水電、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)等可再生能源或清潔能源。分布式發(fā)電可以減少長(zhǎng)距離輸變電工程，與集中式發(fā)電相結(jié)合可以提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。
 

進(jìn)入21世紀(jì)，人們對(duì)可再生的新能源發(fā)電方式的關(guān)注度逐漸增加。燃料電池與汽輪機(jī)、柴油機(jī)等傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，有眾多優(yōu)良特性，如表3所示^［19］，它可以不受時(shí)間和天氣等因素的制約，可穩(wěn)定、可靠、持續(xù)地發(fā)電，是一種很有前途的分布式電源，受到了人們的廣泛關(guān)注^［12］。

在質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)方面，研發(fā)首先開始于北美和歐洲。由加拿大Ballard公司開發(fā)的第一臺(tái)以天然氣重整氫氣為燃料的250kW質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供商用展示系統(tǒng)，于2000年6月在德國(guó)柏林Treptow供熱廠開始運(yùn)行^［13］。該系統(tǒng)提供250kW交流電和230kW熱量，系統(tǒng)的電效率為35%，總的能量效率為80%，并提供75℃的熱水。在德國(guó)的Mingolsheim，另一套同樣的系統(tǒng)在2002年9月至2003年10月運(yùn)行了1年時(shí)間，期間系統(tǒng)輸出150kW～212kW的交流電，電效率28%～38%，熱效率30%～42%^［14］。這之后，GM和Dow化學(xué)公司合作在Dow的工廠內(nèi)安裝了類似的300kW熱電聯(lián)供商用展示系統(tǒng)^{［15］［19］}，如圖3所示。
在小型家用燃料電池方面，日本為我們做出了表率，日本政府認(rèn)為^［16］，1kW燃料電池系統(tǒng)基本能夠滿足家庭的用電需要，采用這樣的系統(tǒng)可以為居民住宅供電8小時(shí)，并且24小時(shí)供應(yīng)熱水。這樣的系統(tǒng)在白天開啟，夜晚以及峰值輸出時(shí)用電網(wǎng)來補(bǔ)充供電不足，系統(tǒng)效率超過30%，總效率超過65%。日本、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)近幾年在民用燃料電池電站方面的投入巨大，如表4所示^［17］。
中國(guó)的燃料電池發(fā)電研究起步并不晚，“九五”期間，質(zhì)子交換膜燃料電池被列為重點(diǎn)，并于2006年組裝了多套百瓦、千瓦級(jí)燃料電池電堆與燃料電池系統(tǒng)。北京飛馳綠能公司、清華大學(xué)、上海神力公司^［17］和北京富原公司等都研制出5kW的氫燃料電池電站。廣東省已建成了廣州大學(xué)城分布式能源站，是目前全國(guó)最大的分布式能源站^［18］，如圖4。此能源站以天然氣為一次能源，通過燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合發(fā)電機(jī)組發(fā)電的同時(shí)，將發(fā)電后的余熱用于生活熱水和空調(diào)冷凍水制備，向大學(xué)城供應(yīng)冷、熱、電；通過能源的分級(jí)利用，系統(tǒng)的綜合能源利用效率能夠達(dá)78%。北京市于2006年開展天然氣—質(zhì)子交換膜燃料電池分布式電站的研究^［19］，由北京科技大學(xué)主持，建立了10kW級(jí)天然氣重整制氫的PEMFC分布式熱電聯(lián)產(chǎn)電站[!--empirenews.page--]^{［20］［21］}，并于2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間進(jìn)行了示范運(yùn)行，為北京綠色奧運(yùn)作出了貢獻(xiàn)。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行結(jié)果表明，PEMFC發(fā)電效率高達(dá)40%，熱電綜合效率可達(dá)80%，占地面積約2平方米，如圖5所示。華南理工大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的300kw質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站已于2009年年底啟用，如圖6，占地僅2000平方米，項(xiàng)目投資1850萬元，是一個(gè)“微型”的發(fā)電廠，該發(fā)電廠徹底顛覆傳統(tǒng)煤電模式，能量利用率可達(dá)90%^{［8］［22］}。
 

2.PEMFC在移動(dòng)式電源方面的應(yīng)用

PEMFC作為移動(dòng)式電源，其應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：一是用作便攜電源、微型移動(dòng)電源、備用電源等；二是可用作助動(dòng)車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動(dòng)力。從其發(fā)展情況看，PEMFC技術(shù)是較為成熟的電動(dòng)車動(dòng)力電源，并且已經(jīng)商業(yè)化，如圖7所示^［23］。
根據(jù)各國(guó)的社會(huì)情況，電動(dòng)車的發(fā)展方向是不盡相同的，這其中影響最大的開發(fā)項(xiàng)目有兩個(gè)：一個(gè)是由美國(guó)DOE組織的國(guó)家PEMFC研究項(xiàng)目，另一個(gè)是由加拿大Ballard動(dòng)力公司作為技術(shù)支持，由福特、奔馳等公司支持的PEMFC電動(dòng)汽車項(xiàng)目，如圖8所示的奔馳B級(jí)氫燃料電池車是比較成功的一例^［23］。2010年起亞開發(fā)出霸銳Borrego FCEV，該車能量供應(yīng)來源于燃料電池（98%氫氣供給），全四輪驅(qū)動(dòng)，續(xù)航里程可達(dá)700公里，輸出功率115kW。起亞計(jì)劃在2013年較大規(guī)模生產(chǎn)Borrego FECV。目前，世界各國(guó)對(duì)氫燃料電池車和氫能研發(fā)的投入都比較大，如表5所示。
在上海世博會(huì)期間，世博會(huì)與科技部合作開展純電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池等1017輛各類新能源車輛示范運(yùn)行項(xiàng)目，如圖9所示^［24］。其中，燃料電池汽車196輛，包括燃料電池客車6輛，燃料電池轎車90輛，燃料電池觀光車100輛。這是繼2008年北京奧運(yùn)會(huì)（如圖10所示）后，中國(guó)新能源車技術(shù)和成果的又一次集中展示^［24］。為配套世博燃料電池汽車的示范運(yùn)行，主辦方在靠近世博園區(qū)附近新建了1座世博加氫站和2輛移動(dòng)加氫車，為各種車輛提供燃料補(bǔ)給服務(wù)。
 

中國(guó)對(duì)燃料電池電動(dòng)車的推廣相當(dāng)重視，在國(guó)家《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》中著重強(qiáng)調(diào)要“發(fā)展混合動(dòng)力汽車、燃?xì)馄?、醇類燃料汽車、燃料電池汽車、太陽能汽車等清潔汽?rdquo;。清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、富原燃料電池有限公司等科研院所已經(jīng)研制出游覽觀光車、中巴車樣車等，其運(yùn)行性能接近或達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

鑒于其重要性，燃料電池已經(jīng)被美國(guó)列為使美國(guó)保持經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全而必須發(fā)展的27項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，并被美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)定為21世紀(jì)首選的清潔能源系統(tǒng)。
 

二 固體氧化物燃料電池（SOFC）

（一）SOFC工作原理及簡(jiǎn)介

Nernst在1899年發(fā)現(xiàn)了固體氧化物電解質(zhì)材料，為固體氧化物燃料電池奠定了基礎(chǔ)。SOFC因使用固體陶瓷材料電解質(zhì)而得名，該電解質(zhì)的本質(zhì)就是金屬氧化物。SOFC的基本組成為陰極、陽極和中間的電解質(zhì)，其工作原理是，燃料電池在運(yùn)行過程中，在陽極和陰極分別送入還原、氧化氣體后，氧氣在多孔的陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，生成氧負(fù)離子。氧負(fù)離子穿過固體電解質(zhì)材料到達(dá)陽極，然后與陽極的燃料反應(yīng)，生成H₂O和CO₂，電子經(jīng)過外電路通過負(fù)載輸出電能，化學(xué)能就轉(zhuǎn)變成電能。

隨著制備工藝的不斷進(jìn)步，在20世紀(jì)80年代，新型固體氧化物燃料電池得到了迅速發(fā)展。該電池具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率高，能量的綜合利用效率可以達(dá)到80%以上；燃料適應(yīng)性廣，可以直接利用天然氣、煤氣化氣或其他碳?xì)浠衔锏茸魅剂?；能夠承受較高濃度的CO的毒害，因此對(duì)電極的要求會(huì)降低；使用具備電催化作用的陽極可以在發(fā)電同時(shí)生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品。因此目前世界各國(guó)都在積極投入對(duì)SOFC技術(shù)的研發(fā)。

（二）SOFC在固定電站、燃料電池—汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電方面的應(yīng)用

目前，SOFC電池堆的研究者采用了兩種不同的應(yīng)用戰(zhàn)略。

（1）開發(fā)高于900℃溫度的SOFC系統(tǒng)，可與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合使用，使發(fā)電效率大幅提高。圖11為西門子—西屋公司開發(fā)出的世界第一臺(tái)SOFC和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電站，此發(fā)電站已于2000年5月安裝在美國(guó)加州大學(xué)，功率220kW，發(fā)電效率58%^［25］。
（2）開發(fā)小型SOFC發(fā)電單元。這種SOFC常常設(shè)計(jì)為熱電聯(lián)產(chǎn)的形式，既可應(yīng)用于住宅以及偏遠(yuǎn)地區(qū)分布式電站，如Sulzer Hexis公司開發(fā)的系列產(chǎn)品；也可用于輔助電源以及交通工具，其產(chǎn)品以德國(guó)BMW集團(tuán)公司開發(fā)的車用SOFC-APU為代表。日本大阪燃?xì)庥?012年3月13日宣布，已完成家用固體氧化物型燃料電池的開發(fā)，并于4月27日以“ENE-FARMtype S”的商品名投放市場(chǎng)。該產(chǎn)品達(dá)到了全球最高水平的發(fā)電效率。天然氣通過重整器分解成氫和一氧化碳并被送入電池組（電池組中收納有燃料電池），反應(yīng)產(chǎn)生的熱用于燃?xì)庵卣统鞘泄幔ㄈ鐖D12所示）[!--empirenews.page--]^［22］。
 

高溫燃料電池能以天然氣、甲烷、CO、氣化煤氣等作為燃料，電池堆產(chǎn)生的高溫廢氣可以與燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，大大節(jié)約能源^［26］。因此，高溫燃料電池被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為適合固定電站或燃料電池—汽輪機(jī)聯(lián)合的新型發(fā)電技術(shù)^［27］。

美國(guó)是燃料電池研發(fā)最早的國(guó)家之一，早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）就已經(jīng)開始將燃料電池應(yīng)用于航天工程。日本和歐洲各國(guó)進(jìn)步也很快，其中多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用方面的示范演示。圖13為西屋公司在荷蘭安裝的SOFC示范電廠，它可以提供110kW的電力和64kW的熱，發(fā)電效率達(dá)到46%，總效率接近75%^［25］。新澤西州已于2013年1月22日啟動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)和燃料電池的補(bǔ)助計(jì)劃，該計(jì)劃向發(fā)電能力超過1兆瓦的熱電聯(lián)產(chǎn)或燃料電池提供資助，要求熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)大于1兆瓦，余熱利用必須達(dá)到至少65%，燃料電池項(xiàng)目超過1兆瓦的余熱回收必須達(dá)到至少45%的效率。
 

在國(guó)外SOFC蓬勃發(fā)展的勢(shì)態(tài)下，中國(guó)眾多科研單位（如中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、吉林大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等），也相繼開展了固體氧化物燃料電池的研究^{［28］［29］}。2007年，中國(guó)科學(xué)院過程工程所固體氧化物燃料電池課題組研發(fā)的“列管式不密封無連接固體氧化物燃料電池”發(fā)電成功。發(fā)電功率為每組35瓦的單電池組，由4個(gè)電池組組成的電堆進(jìn)行了500小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn)，并通過科技部組織的“863”項(xiàng)目驗(yàn)收。總之，目前中國(guó)已經(jīng)具備了研制數(shù)千瓦級(jí)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的能力^［30］。

當(dāng)今世界隨著能源和環(huán)境的壓力越來越大，世界各國(guó)積極發(fā)展固體氧化燃料電池，SOFC的商業(yè)化進(jìn)程正在加速實(shí)施，以下是部分建成的SOFC燃料電池廠，如表6所示^［31］。
 

總之，固體氧化物燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料適應(yīng)性廣、模塊化組裝、全固態(tài)、零污染等優(yōu)點(diǎn)，可以直接利用氫氣、天然氣、煤氣、液化氣及一氧化碳等多種碳?xì)淙剂?。在大型集中供電、中型分布電站和小型家用熱電?lián)供等利用領(lǐng)域，作為固定電站，以及作為船舶動(dòng)力電源、交通車輛動(dòng)力電源等，應(yīng)用前景十分廣闊。

三 直接甲醇燃料電池（DMFC）

（一）DMFC工作原理及簡(jiǎn)介

圖14^［35］為DMFC的結(jié)構(gòu)原理圖。DMFC由陽極、電解質(zhì)膜和陰極構(gòu)成。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成質(zhì)子、電子和二氧化碳，質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜在陰極與氧反應(yīng)生成水，電子通過外電路對(duì)外做功。其中，甲醇完全氧化生成二氧化碳是一個(gè)6電子的轉(zhuǎn)移過程。理論上DMFC的電壓基本上與氫氧燃料電池相近，但由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)電極極化和電池內(nèi)阻引起的歐姆損失，DMFC輸出電壓會(huì)小于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論電壓。
 

從嚴(yán)格意義上說，直接甲醇燃料電池（DMFC）是一種特殊的PEMFC，只是用醇類或其他有機(jī)小分子代替氫氣作為燃料。在過去的幾十年內(nèi)，DMFC由于其具有燃料來源廣泛、容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸、價(jià)格便宜和氧化最終產(chǎn)物低污染的優(yōu)勢(shì)而受到越來越多的關(guān)注。盡管目前DMFC還存在諸如甲醇滲透和甲醇催化效率低等現(xiàn)象，導(dǎo)致DMFC的效率和性能降低；此外，其壽命和穩(wěn)定性也尚不能滿足市場(chǎng)的需求。但DMFC美好的前景，尤其是其在便攜式電源領(lǐng)域里可操作性的前景，已經(jīng)促使各大企業(yè)和科研單位將其作為重點(diǎn)研發(fā)方向而進(jìn)行大量投入。

（二）DMFC在小型電源上的應(yīng)用

DMFC市場(chǎng)大約可分為個(gè)人用便攜式電子產(chǎn)品（100W以下）、電機(jī)（100～1000W）、電動(dòng)摩托車（不超過1.5kW）、住宅用發(fā)電裝置（5～15kW）、電動(dòng)汽車（50～100kW）和小型電站（1MW）等。其中最具有發(fā)展?jié)?/p>

力的是個(gè)人便攜式電子產(chǎn)品，包括筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、手機(jī)、攝像機(jī)和收音機(jī)等。

隨著人們工作生活節(jié)奏的加快，筆記本電腦、手機(jī)等便攜式產(chǎn)品被廣泛使用，而目前普遍采用的鉛酸蓄電池、鋰離子電池越來越不能滿足發(fā)展的需要，市場(chǎng)急需要尋求一種新型的電池取代目前的現(xiàn)狀，直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有希望的化學(xué)電源而受到極大的關(guān)注^［32］。
 

自20世紀(jì)60年代開發(fā)至今，世界各國(guó)的廠商都在著力進(jìn)行DMFC的研制，并取得顯著進(jìn)展。日本KDDI應(yīng)用DMFC技術(shù)將甲醇微型燃料電池應(yīng)用于3G手持電話充電器，二者均于2008年上市，如圖15[!--empirenews.page--]^［33］；在筆記本電腦應(yīng)用方面，東芝及Samsung開發(fā)了DMFC產(chǎn)品，Casio利用甲醇重組技術(shù)則開發(fā)出了PEMFC雛形機(jī)，這些產(chǎn)品都可使筆記本電腦運(yùn)作10小時(shí)；美國(guó)零售商Brookstone已經(jīng)販?zhǔn)垡豢羁蓴y帶型智能手機(jī)用燃料電池，可為iPhone 4充電至少10～14次。與此同時(shí)，甲醇作為燃料，其需求量也隨之相應(yīng)增加，也促進(jìn)了化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展^［34］。

中國(guó)政府對(duì)燃料電池的發(fā)展非常重視，將其列為“國(guó)家科技中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃”中能源、交通、電子等領(lǐng)域的重要研究方向和急需開拓的尖端高技術(shù)^［35］。2009年11月24日，由清華大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“智能化高效直接甲醇燃料電池系統(tǒng)的研制”項(xiàng)目在北京通過科技部驗(yàn)收，如圖16^［36］。同時(shí)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、北京科技大學(xué)等科研單位也為加速甲醇燃料電池技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)升級(jí)作出了很大努力。最近，北京科技大學(xué)提出了一種以甲醇為原料、超分子化合物為中間儲(chǔ)能介質(zhì)的間接甲醇燃料電池，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，同時(shí)巧妙地避免了現(xiàn)有直接甲醇燃料電池存在的甲醇穿透、催化劑中毒等問題，開辟了甲醇燃料電池的新研究方向^［37］。
 

DMFC作為小功率、便攜式的電源具有許多優(yōu)點(diǎn)，在小功率的應(yīng)用場(chǎng)合（如移動(dòng)式電源、電動(dòng)汽車等）與其他化學(xué)電源相比具有很大優(yōu)勢(shì)。估計(jì)在以后幾年中，DMFC的研制應(yīng)用將會(huì)有很大的進(jìn)展。

四 其他類型燃料電池

堿性燃料電池是最早得到應(yīng)用的一種燃料電池，在20世紀(jì)60年代，美國(guó)NASA就已成功用于“阿波羅”宇宙飛船。在中短期來看，堿性燃料電池的應(yīng)用基本上局限在宇宙、AIP推進(jìn)系統(tǒng)，以及固定發(fā)電系統(tǒng)方面，而且相對(duì)于其他燃料電池的發(fā)展，堿性燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的挑戰(zhàn)。

磷酸燃料電池（PAFC）由于其制造成本低、性能優(yōu)良而受到高度重視，發(fā)展非常迅速，已步入商業(yè)階段。PAFC既可用于大規(guī)模發(fā)電，也可用作醫(yī)院或居民區(qū)供電、汽車動(dòng)力以及不間斷供電，其中同時(shí)提供的電和熱水被認(rèn)為是PAFC的最佳應(yīng)用方式，但是最近幾年由于其居高不下的成本和較高的腐蝕性，影響了其進(jìn)一步發(fā)展。

熔融碳酸鹽型燃料電池通常稱為第二代燃料電池，具有高效率、噪聲低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣和天然氣和生物燃料等）、余熱利用率價(jià)值高和電池材料造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。

鋅空燃料電池是利用鋅和空氣在電解質(zhì)的作用下產(chǎn)生電能。鋅空燃料電池的最大優(yōu)勢(shì)是高能量，另外，地球上豐富的鋅資源使得鋅空燃料電池的原材料非常便宜。這種燃料電池可用于電動(dòng)汽車、電子消費(fèi)品和軍事等領(lǐng)域，應(yīng)用前景比較廣闊。

再生型燃料電池的概念相對(duì)較新，但全球已經(jīng)有許多研究機(jī)構(gòu)致力于這方面的工作。這種電池以太陽能為動(dòng)力，將電解池中的水分解成氫和氧，然后送回到燃料電池。但這種電池的商業(yè)化開發(fā)仍然面臨許多諸如成本、太陽能利用的穩(wěn)定性等問題。

生物燃料電池是一種真正被寄予希望的燃料電池，它通常以有機(jī)物如甲醇或乙醇為原料，在生物酶的作用下產(chǎn)生電能。它的本質(zhì)是把有機(jī)燃料變成能量。目前，這種電池還沒有進(jìn)入規(guī)模化的研究和應(yīng)用。

隨著燃料電池的發(fā)展，越來越多的燃料電池將被提出來，許多公司和科研人員也正致力于這些燃料電池的研究工作和商業(yè)化推進(jìn)。

五 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展和全球能源危機(jī)，以及環(huán)保呼聲的高漲，燃料電池正逐漸引起人們足夠的重視。盡管目前燃料電池還面臨著同化石燃料的競(jìng)爭(zhēng)，但是燃料電池?fù)碛械膬?yōu)勢(shì)還是十分明顯的，如應(yīng)用范圍廣泛、環(huán)保方面的零排放等等。從世界燃料電池迅猛發(fā)展的趨勢(shì)來看，21世紀(jì)頭二十年將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品

化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，隨著今后幾年的發(fā)展，再配合液態(tài)氫基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和完善，國(guó)家政策扶植力度加大，燃料電池必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的能源革命，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速健康發(fā)展。而能源領(lǐng)域的這場(chǎng)革命是中國(guó)政府、企業(yè)、高等科研院所不得不正視的重大課題，我們對(duì)此必須要有充分認(rèn)識(shí)并給予足夠的重視，使其早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為中國(guó)的國(guó)家能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。[!--empirenews.page--]

澳門由于地少人多，能源消耗多，人與地、人與資源的矛盾突出，這也為燃料電池汽車、熱電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)展與推廣提供了廣闊的平臺(tái)與空間，由于PEMFC相對(duì)于其他燃料電池較成熟，造價(jià)較低。對(duì)于澳門政府，一方面針對(duì)公共交通系統(tǒng)或私人汽車領(lǐng)域，可以發(fā)展PEMFC燃料電池汽車。由于PEMFC電堆成本已經(jīng)有大幅度下降，使用壽命大大提高，業(yè)界普遍認(rèn)為氫儲(chǔ)問題已成為發(fā)展PEMFC汽車的“瓶頸”，但是由于澳門地區(qū)占地面積小，區(qū)域地理半徑小，因此可采用氫氣鋼瓶壓力存儲(chǔ)或者儲(chǔ)氫合金存儲(chǔ)方式進(jìn)行氫氣的存儲(chǔ)，可滿足澳門等小城市的全區(qū)域使用。眾所周知，相對(duì)于傳統(tǒng)燃油轎車，PEMFC轎車具有排放產(chǎn)物只有水、噪聲低、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，雖然造價(jià)上高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)轎車，但是長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，營(yíng)造清潔、健康的環(huán)境將最終造福當(dāng)?shù)厝嗣癜傩?，為澳門在新能源利用上譜寫新的歷史篇章。另一方面，為樓宇、賓館酒店等小型社區(qū)發(fā)展分布式PEMFC冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)。澳門第三產(chǎn)業(yè)，尤其是博彩業(yè)和旅游較發(fā)達(dá)，地理位置處于熱帶地區(qū)，同時(shí)對(duì)制冷、熱水、電力等有需求，而PEMFC冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)恰好吻合需求，同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)一次能源的利用率可達(dá)80%以上，另外NOx、SO₂等排放量也大幅度低于傳統(tǒng)供熱、供電系統(tǒng)。因此大力發(fā)展清潔能源，尤其以PEMFC為代表的能源產(chǎn)品，將為澳門的騰飛發(fā)展、綠色環(huán)境提供源源不斷的動(dòng)力。

綜上所述，燃料電池清潔高效，應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，發(fā)展該技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。