燃料電池與氫氣動力汽車

【大紀元5月11日訊】燃料電池（FuelCell），是一種直接將燃料通過電化學反應?生低電壓直流電的裝置，相對於其他化學電池來說，燃料電池是一種新型的電池，燃料電池有別於一般原電池與蓄電池，它所參與電極反應的活性物質並不貯存在電池內部，而是全部由電池外部提供。它的出現徹底改變了電池的不能連續工作的局面，只要不間斷的通入反應物，它就可以不停地工作。燃料電池不僅可以長時間不間斷地工作，而且它兼具普通化學電源能量轉換效率高的優勢；其次，它具有潔淨和無噪音的特點。因此它已經超出了一般化學電池的定義，成為未來「氫能時代」的重要的電池發電體系的一分子。
　　
燃料電池是根據電化學反應來設計的，它的工作原理是將兩個電極插入到電解液中，向兩個電極分別提供燃料和氧氣，通過電化學反應，來實現燃料的燃燒，雖然燃料電池有很多種類，但其基本工作原理大致相同，以氫氧燃料電池為例，其工作原理如圖所示。它主要由4部份組成，即陽極、陰極、電解質和外部電路。
　　
這一反應的實質是氫的燃燒反應，其中氫是一種燃料，而氧則是一個氧化劑。所以，在燃料電池中，負極上進行燃料電池的氧化過程，而正極進行氧化劑的還原過程。燃料電池的負極常常又被稱為「燃料電極」，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱為「氧化劑電極」。無論採用何種電解質，燃料電池的工作原理大致是相同，即氫氣通過氣路到達陽極，在陽極催化劑的作用下，1個氫原子電解為2個氫離子，並釋放出兩個電子；而在陰極區，氧氣通過氣路到達陰極，同時氫離子穿過電解質也到達陰極，電子通過外電路到達陰極；在陰極催化劑的作用下，氧原子和氫離子發生反應生成水。
　　
質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC）的是近幾年來發展最快的一種燃料電池技術，由於它具有電流密度大、運行溫度低（一般低於100℃）、啟動時間短、電極沒有腐蝕問題等優點，而被認為是最有可能取代汽車內燃機的動力裝置，它的研製成功將有助於解決汽車尾氣對環境的污染問題。最早對其進行研究是在20世紀60年代美國的通用電氣公司為NASA研製空間電源。之後其研究曾一度停止不前，直到80年代末期，以軍事為目的的研製和開發，使得PEMFC技術有了較大的發展。近年來汽車用燃料電池在小型化和提高功率密度方面取得了巨大的進展：加拿大的Ballard公司製造的燃料電池公共汽車已經投入實際使用，而德國的賓士汽車公司和美國的通用汽車公司也相繼推出了燃料電池樣車，還有其他一些著名的汽車公司都積極致力於燃料電池汽車的研究開發工作。
　　
美國聯邦政府此次斥資三億五千萬美元研發，並於二0一五年推向市場的氫氣動力車，即以燃料電池為動力，因為一方面氫是地球上的第三多的元素，可以說用之不竭，另一方面則是這種汽車是真正意義上的無污染（「零排放」）汽車。這對降低空氣污染與大氣的溫室效應十分重要。
　　
要實現氫氣動力車的?業化，還有許多方面的問題需要解決。氫元素雖然豐富，但氫氣並不存在於自然界中，制氫技術的發展已在工業上長期應用，然而要商業化用於氫動力汽車成本仍然需大幅度降低。汽車用的燃料電池發動機技術上已成熟，但生?成本太高。作為生?成本的汽油發動機為每千瓦三十五，而目前燃料電池發動機的生?成本約為每千瓦三千三百美元。更為關鍵的是如何有效在車上儲存燃料電池用的氫氣一直沒有在技術上獲得很好的解決，在現有的儲氫技術中還沒有一中達到氫氣動力車的要求。
　　
這次美國政府斥資為各大學、國家研究所和工業界的物理、化學及材料等領域跨學科的科學家與工程師研究氫氣動力車?業化中遇到的基礎科學問題，其目的正是為瞭解決上述技術難點。在不遠的將來普通人也可以駕駛對環境無污染的氫動力汽車。 @(http://www.dajiyuan.com)