前沿科技丨燃料电池驱动未来

燃料电池作为新能源技术领域的热点，被普遍认为是一种高效清洁的新型发电方式，可灵活地为交通工具、家用电器、航空航天等提供动力。

燃料电池是一种能有效控制燃料和氧化剂的化学反应，并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置，被誉为继火电、水电及核电之外的第四种发电方式。燃料电池虽然名叫“电池”，但实际和电池是有区别的，电池属于储能器范畴，而燃料电池不储能，本质上只是一个能量转换器，更像是一台“发电机”。

与传统发电方式相比，燃料电池有其特殊之处：在反应过程中，燃料电池能量转换过程无明火燃烧活动，所以其能量转换效率不受“卡诺循环”限制，除此之外，燃料电池还具有燃料多样化、噪音低、排气较清洁、对环境污染小、维修性好、可靠性高等优点。

根据电解质的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池、磷酸燃料 电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池五种。目前这五种燃料电池分别处于不同发展阶段。

燃料电池还有几种特殊的类型：直接甲醇燃料电池、再生燃料电池和直接碳燃料电池。2013年“燃料电池中多相能质传递与反应动力学的相互作用机理”获国家自然科学奖二等奖。该项目深入分析燃料电池中的物理化学过程，以热流科学与电化学交叉的独特方法，揭示了燃料电池中质量、能量的传递与电化学反应动力学的相互作用机理，建立了新的理论框架，并据此研发出以醇类物质作燃料的燃料电池。在该理论的指导下，将燃料电池的性能在原来的基础上提高了4至6倍。

目前醇类燃料电池有直接甲醇燃料电池和直接乙醇燃料电池。这两种醇类燃料电池的燃料分别为甲醇和乙醇。但甲醇相对更容易被氧化，因而乙醇燃料电池更为常见。乙醇燃料电池的性能与以氢为燃料的质子交换膜燃料电池还有较大差距，但质子交换膜燃料电池造价高，这为乙醇燃料电池的发展提供了可能，但要在短期内代替氢燃料电池作为电动车的动力源似乎还有一段路要走。

燃料电池如今已逐步走出实验室，融入社会生活。不同种类的燃料电池凭借着各自的性能优势在不同领域“大放异彩”，但其原理都是相通的。

一般情况下，燃料电池单体由 三部分构成：阳极、阴极及电解质。其“发电”过程可大致分解为以下四个步骤：

一是，在阳极催化剂作用下，燃料气（氢气、甲烷、甲醇等）发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；

二是，在阴极催化剂作用下，氧化物（通常为氧气）发生还原反应，得到电子和阴离子；

三是，阳极反应产生的阳离子或阴极产生的阴离子通过电解质运动到对电极上，生成反应产物并排到电池外；

四是，在电势差的驱动下电子通过外电路从阳极运动到阴极，这样整个反应过程达到物质平衡和电荷平衡，外部用电器获得了燃料电池所提供的电能。

虽然不同类型燃料电池的基本原理是相通的，但通常由于电解质不同，所允许通过的载流子也不同，因而对应的电池反应会存在一定差异。

尽管燃料电池在技术上取得了很大突破，也慢慢走向应用，但目前的燃料电池仍存在成本高、寿命短的问题，要想在短时间内实现商业化应用还面临着诸多挑战。因此，在未来一段时间内，燃料电池技术的突破口仍旧是寻求便宜、高效的新能源电池。

来源：科普中国-重大科技成果解读

编辑：陈超

审核：罗声

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