燃料电池汽车 燃料电池汽车的优缺点

燃料电池乃一种独特装置，能够直接将燃料的化学能转换为宝贵的电能。此种技术被视为未来洁净且高效发电方式，特别被誉为21世纪的重要分布式电源。其工作原理犹如电解水的逆过程。

具体来说，氢基燃料在燃料电池的阳极（即电源负极）转化为氢离子，而空气中的氧气则被引入至阴极（即电源正极）。在此过程中，负氧离子通过电解质（这是一种在两极间进行离子导电的物质）到达阳极，与氢离子结合形成水，同时在外电路中产生电流。

完整的燃料电池发电系统由多个部分组成，其中包括电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统等。其中，电池堆作为核心部分发挥着至关重要的作用。低温燃料电池还需配备燃料改质器（亦称燃料重整器）。而高温燃料电池因其内部具备重整功能，无需额外重整器。

磷酸型燃料电池（PAFC）已是技术成熟且商业化的范例。如今已能生产出大容量加压型设备及便携式设备等多种规格。第二代熔融碳酸盐电池（MCFC）工作在高温环境（约600～700℃）下，其重整反应可在内部进行，适用于大规模发电。目前正在进行兆瓦级的验证实验。

而第三代固体电解质燃料电池（SOFC）被寄予厚望。其采用氧化锆等固体电解质，未来有望用于煤基燃料发电。其中，质子交换膜燃料电池被认为是电动车的理想电源。

燃料电池具备以下显著优势：其一，效率极高。以氢为燃料的燃料电池，其理论发电效率可接近100%。实际运用中，熔融碳酸盐燃料电池的效率可达58.4%。若结合热电联产或联合循环，其综合热效率可望超过80%，且与设备规模关系不大，即使是小型设备也能实现高效率。

其二，其热备用状态使得燃料电池能迅速响应负荷变化，甚至能在1秒内调整50%的负荷。

其三，该技术噪音低、实现零排放且节水。

其四，安装便捷且灵活，可省去新建输配电系统的费用，同时大大缩短安装周期。

尽管燃料电池拥有上述众多优点，但其大规模应用的障碍在于高昂的造价。在经济效益上与常规发电方式竞争仍需时间。燃料电池的技术关键涉及商业化相关的多个项目，如电池性能、寿命、大型化及价格等。其中，新的电解质材料和催化剂的研究是关键所在。

以固体氧化物燃料电池（SOFC）为例，其使用固体电解质并在高温下工作，这对其构成材料及其加工提出了特殊要求。为了获得高温化学稳定且致密的电解质，通常会在氧化锆中加入Y2O3以生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，需要尽量减少电解质薄膜的厚度。目前实用的电解质膜厚度在0.03至0.05毫米之间，先进技术已能达到0.01毫米。

这样的电解质陶瓷材料除了需要足够的机械强度外，还必须具有高度的气体致密性，否则将影响燃料电池的性能。在燃料极方面，使用如镍锆等耐热金属陶瓷。镍还用于燃料重整的催化作用。空气极在高温氧化环境中运行，普通金属难以适用。尽管铂的稳定性良好，但考虑到其成本较高，寻找替代材料成为了一个重要的研究方向。