燃料電池作為新能源技術領域的熱點，被普遍認為是一種高效清潔的新型發電方式，可靈活地為交通工具、家用電器、航空航天等提供動力。

       燃料電池是一種能有效控制燃料和氧化劑的化學反應，並將其中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，被譽為繼火電、水電及核電之外的第四種發電方式。燃料電池雖然名叫“電池”，但實際和電池是有區別的，電池屬於儲能器範疇，而燃料電池不儲能，本質上只是一個能量轉換器，更像是一台“發電機”。

       與傳統發電方式相比，燃料電池有其特殊之處：在反應過程中，燃料電池能量轉換過程無明火燃燒活動，所以其能量轉換效率不受“卡諾循環”限制，除此之外，燃料電池還具有燃料多樣化、噪音低、排氣較清潔、對環境污染小、維修性好、可靠性高等優點。

       根據電解質的不同，燃料電池可以分為鹼性燃料電池、磷酸燃料 電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池五種。目前這五種燃料電池分別處於不同發展階段。燃料電池還有幾種特殊的類型：直接甲醇燃料電池、再生燃料電池和直接碳燃料電池。2013年“燃料電池中多相能質傳遞與反應動力學的相互作用機理”獲國家自然科學獎二等獎。該項目深入分析燃料電池中的物理化學過程，以熱流科學與電化學交叉的獨特方法，揭示了燃料電池中質量、能量的傳遞與電化學反應動力學的相互作用機理，建立了新的理論框架，並據此研發出以醇類物質作燃料的燃料電池。在該理論的指導下，將燃料電池的性能在原來的基礎上提高了4至6倍。

       目前醇類燃料電池有直接甲醇燃料電池和直接乙醇燃料電池。這兩種醇類燃料電池的燃料分別為甲醇和乙醇。但甲醇相對更容易被氧化，因而乙醇燃料電池更為常見。乙醇燃料電池的性能與以氫為燃料的質子交換膜燃料電池還有較大差距，但質子交換膜燃料電池造價高，這為乙醇燃料電池的發展提供了可能，但要在短期內代替氫燃料電池作為電動車的動力源似乎還有一段路要走。

       燃料電池如今已逐步走出實驗室，融入社會生活。不同種類的燃料電池憑藉着各自的性能優勢在不同領域“大放異彩”，但其原理都是相通的。一般情況下，燃料電池單體由 三部分構成：陽極、陰極及電解質。其“發電”過程可大致分解為以下四個步驟：一是，在陽極催化劑作用下，燃料氣（氫氣、甲烷、甲醇等）發生氧化反應，生成陽離子並給出自由電子；二是，在陰極催化劑作用下，氧化物（通常為氧氣）發生還原反應，得到電子和陰離子；三是，陽極反應産生的陽離子或陰極産生的陰離子通過電解質運動到對電極上，生成反應産物並排到電池外；四是，在電勢差的驅動下電子通過外電路從陽極運動到陰極，這樣整個反應過程達到物質平衡和電荷平衡，外部用電器獲得了燃料電池所提供的電能。雖然不同類型燃料電池的基本原理是相通的，但通常由於電解質不同，所允許通過的載流子也不同，因而對應的電池反應會存在一定差異。

       儘管燃料電池在技術上取得了很大突破，也慢慢走向應用，但目前的燃料電池仍存在成本高、壽命短的問題，要想在短時間內實現商業化應用還面臨着諸多挑戰。因此，在未來一段時間內，燃料電池技術的突破口仍舊是尋求便宜、高效的新能源電池。

（文:科技導報社副編審 祝葉華    把關專家：中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院副教授 葛奔）

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