化学新能源
摘要
新能源是指有别于传统化石能源的一类新型能源，如太阳能、生物质能、核能、风能、地热能、海洋能（潮汐能）等一次能源。它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染。新能源具有清洁几乎无污染、转化率高、安全、小型分散、成本高和技术成熟度低的特点。研究和开发清洁而又用之不竭的新能源，是21世纪发展的首要任务，将为人类可持续发展作出贡献。化学新能源包括燃料电池、锂离子电池和电化学电容器。
关键字 化学新能源；燃料电池
引言
随着化石燃料耗量日益增加和储量日益减少，全球已产生环境污染，气候异常和能源短缺三太问题，因此寻来源丰富的清洁能源是当今世界面临的最重太的问题。近年来，由于燃料电池有高效、清洁的优点。加上它能利用生物质转化的气体和液体产物作其燃料，更易用氢作燃料，因此已日益受到重视。燃料电池今后的发展方向除了电动车辆和热电站外，另一方向是使
燃料电池小型化，燃料电池将替代普通电池在笔记本电脑、便携式电子器件等方面应用。
1 燃料电池介绍及国内外现状
燃料电池是把化学反应的化学能直接的转化成电能。燃料电池包括碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池（MSFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
欧盟委员会、欧盟工业界和科研机构也于2008年宣布，将在今后6年内投资约10亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。美国成立了氢燃料电池和基础设施技术办公室，专门负责协调企业、大学和国家实验室的燃料电池研发活动，帮助他们实现燃料电池成本和性能方面的目标。
我国的燃料电池研究始于1958年，经过50余年的积累与发展，已形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍，尤其在质子交换膜燃料电池方面总体水平与先进国家的差距正在缩小。
2、几种典型的燃料电池燃料电池
2.1 碱性燃料电池（AFC）
碱性燃料电池(Alkaline fuel cell)，英文缩写为AFC。最早被用于美国空间技术，著名的登月宇宙飞船就是采用碱性燃料电池作为日常工作和生活的能源。碱性燃料电池中氢和氧的结合方式与PEMFC略有不同。它们在正极结合产生水，近期开发的AFC一般工作温度在100℃以下，最早的AFC工作温度在200℃左右。碱性燃料电池具有很好的电极动力学，当使用高纯度氢和氧时，系统具有非常好的特性，但其电极材料多采用贵重金属，因而成本较高。AFC的另一个最大的弱点是反应系统与二氧化碳不相容，因而，AFC似乎不宜用于交通运输的驱动能源，在没有发现制备高纯度氢的较经济方法之前。碱性燃料电池转向民用尚有一段距离，比利时E—lonco 集团努力了20多年试图用碱性燃料电池来驱动巴士，但在1996年终于放弃了这个计划。
2.2 磷酸盐燃料电池（PAFC）
磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell)，英文缩写为PAFC。磷酸燃料电池目前在全世界大约安装了200台。然而，其弱点仍然是成本高。有关专家认为，燃料电池每千瓦的成本在1 000美元以下时才有希望大规模进入民用市场。大规模生产时应低于每千瓦500美元以下。由
于AFC的启动时间较长，因而被认为不适合于交通运输的驱动能源，目前主要用做小型发电厂。日本是一个岛屿国家，能源缺乏问题比较严重，因而日本政府对燃料电池的开发研究非常重视，在PAFC的研究方面，日本处于较为领先的地位，目前在日本有很多从几千瓦到数兆瓦的PAFC样机，世界上最大的一台PAFC是由东京电力公司(TokyoElectricPowcrCo)于1991年建造的，输出功率为11 MW．效率为43 6％。
2.3 直接甲醇燃料电池(DMFC)
直接甲醇燃料电池（Direct methanol fuel cell）英文缩写为DMFC。它与PEMFC的电化学结构较为接近，但它最大的特点是直接使用液态甲醇为燃料，而不是使用氢。由于液态甲醇容易运输和贮存，因而一度被认为是交通运输的有希望的燃料电池，但是由于直接转换甲醇需要高效的电催化材料，尽管取得了许多进步，其成本仍然没有达到商业化的程度。DMFC被认为在微小型燃料电池方面最有发展前途旧。微小型燃料电池在移动电话、小型收音机、笔记本电脑等领域有非常广阔的市场前景。
2.4 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池（Molten carbonate fuel cell）英文缩写为MCFC。熔融碳酸盐燃料电池得此名是由于其电解质是熔融碱性碳酸盐混合物，它的优点是性能不受一氧化碳和余热的影响，并且燃料可以在内部重整。MCFC工作温度一般在500～750℃，属于高温燃料电池萁结构材料大量使用各种金属和陶瓷材料。由于受温度和热应力的影响，电化学和结构材料的选择难度相对较大。与其他燃料电池相比，MCFC在过去的20年里其结构材料变化并不太大，但结构设计和制造技术却发展很快。由于高温工作和启动时间较长，MCFC不宜用于交通运输的驱动能源，一方面频繁的启动和关闭，系统的热应力将严重影响结构材料寿命，另一方面MCFC数小时的启动时间更不宜用于代替汽车发动机，因而用于小型发电厂是MCFC较好的研究方向，目前试运行的小型MCFC的输出功率一般在250～300kW。
2.5 固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell)，英文缩写为SOFC，与其他燃料电池最大的区别就是SOFC的工作温度可以设计在一个较宽的范围内。日前报道的SOFC工作温度在500～1 000℃。因而对SOFC的电化学材料和结构材料的选择范围也较宽，与MCFC一样。SOFC的结构材料不但要耐高温，而且要有一定的机械强度，还耍承受太范围的温度应力。此外系统
的密封、热绝缘、电绝缘都有特殊要求。虽然SOFC研究起步较晚，但被认为可能是有广泛应用前景的燃料电池，第一台100 kW固体氧化物燃料电池于1998年由德国公司建在荷兰，系统的效率为46％，据悉运转情况良好。
2.6 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有燃料电池的一般特点外，还具有高效环保、经济安全、比能量和比功率高、启动快、寿命长等突出特点。针对质子交换膜燃料电池，其中质子交换膜、电催化剂、电极、双极板和储氢技术等关键材料和部件的研究最为重要。
3 结论
联合国哥本哈根气候大会的闭幕，能源紧张、油价攀升，环境污染严重，节能环保成为人类不懈努力的方向。燃料电池以效率高、零污染，使用方便等特点进入人类的视野，在诸多领域的应用也应运而生，成为人们关注的热点。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4％的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4．5％和3．7％，到2013年预计市场价值将达456亿美元。到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场
的25％。由此可见，燃料电池作为继水力、火力、核能之后新一代能源技术，其广阔的应用前景不容忽视。
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