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氢是良好的能量载体,其能量密度很高,是普通汽油的3倍。氢能在化工、航空航天、交通运输、供热、供电等方面有着广泛的应用空间。氢主要有两种转化应用的方式,即可以以燃烧的形式在发动机中使用,也可以以化学作用的形式在燃料电池(Fuel Cell)中使用。 在发动机内,氢可以和汽油或天然气一样燃烧使用,而燃料电池则是利用氢的化学能来产生电能和热能。由于电化学反应比燃料的产能效率更高,因此,燃料电池也比内燃机效率高。表1简单地列出了氢的转化与应用情况。
目前,以氢为能量载体的燃料电池主要有五种类型,分别为:碱性电解质燃料电池(Alkaline Fuel Cell (AFC))、质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane (PEM-FC))、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Cell (PAFC))、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC))和固体氧化物燃料电池(Solid Polymer Fuel Cell (SOFC)),其区别主要在于电池中的电解质和工作温度不同。 碱性电解质燃料电池和固体氧化物燃料电池由于使用大量铂,限制了它们的广泛应用,目前主要应用在航天、潜水艇和军事方面。如美国阿波罗飞船、空间轨道站。 磷酸燃料电池在大电站方面发展较快,如1991年美国的IFC、EPRI和DOC合作开发的11MW级PAFC发电装置现已并网发电。 熔融碳酸盐燃料电池作为民用发电装置的前景受到广泛重视,如1997年由加拿大的Ballard公司与美国能源公司(ERC)共同建设的MCFC250kW电站。 质子交换膜燃料电池属于低温型燃料电池,其保温问题比较容易解决,而且起动所需要的暖机时间较短,采用固体膜做电解质降低了结构的复杂性,同时,当以纯氢做燃料时,质子交换膜燃料电池不需要去除杂质的辅助系统,使系统结构简化,上述优点使之成为研究最为活跃、进展最快、车上应用最多的燃料电池。 质子交换膜燃料电池由于独特的优越性使成为未来电动车的首选电源,目前,世界各发达国家政府和各大汽车公司均十分重视质子交换膜燃料电池汽车的研究与开发。美国的Energy Partner公司首先在1993年开发出世界上第一辆质子交换膜燃料电池电动车,最高时速可达96km/h,美国的H Power公司在DOE的支持下于1996年研制出第一辆以液氢作燃料的质子交换膜燃料电池公共汽车。2002年底,日本丰田汽车公司和本田汽车公司租出了世界上首辆燃料电池轿车。 就目前的情况看,在世界汽车工业燃料电池汽车研发及产业化准备方面,基本形成了通用、福特、丰田和本田等五家汽车巨头共同竞争的局面,另外现代、日产、菲亚特、马自达等二线汽车产品也纷纷加入对燃料电池汽车的实际使用试验研究之中。据中科院大连化学物理所的调查,在2003年6月,世界上已经有近20家汽车公司70余种车型燃料电池汽车问世。有关研究对燃料电池汽车的发展趋势做过如下预测:2002~2004年在美国、欧洲、日本实现燃料电池汽车示范车队,这步目前已基本实现;2006~2007年第二代燃料电池系统融入汽车技术,车队规模继续增大;2010年燃料电池汽车实现商业化推广。也就是说,大多数汽车制造商预计将在2010年左右实现全面的商业化。
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