能源是与人类社会生存与发展密切相关的问题，持续发展是全人类的共同愿望与奋斗目标。人们已经意识到以化石能源为代表的矿物能源最终将会枯竭。中国是能源短缺的国家，石油储量只占世界的2%，中国自1993年首度成为石油净进口国，原油对外依存度由1993年的6%一路攀升，到2006年突破47%，其后每年都以2～3个百分点的速度向上攀升，直至突破50%的警戒线，并一路攀升至2011年的新高56.4%，创下历史新高。即使占中国目前能源构成近70%的煤，如图1所示，按照现有储量和使用速率，也只够用100余年，因此中国的能源形势十分严峻，能源安全将面临严重挑战。

图1 中国能源使用比例

另外，中国的能源使用比例严重失调，普遍使用的煤炭等矿物燃料燃烧时，会释放出SO₂、CO、CO₂、NO_X等对环境有害的物质，随着能源消耗量的增长，有害污染物的释放量在快速增加，造成温室效应、光化学烟雾、酸雨、臭氧层空洞等严重的环境问题，危及人类的生存和发展。例如，现在的空气污染问题尤为突出，2013年1月中国中东部就有四次大范围的雾霾天气，PM2.5再次受到人们的关注，而造成PM2.5居高不下的罪魁祸首则是大量使用化石能源和汽车尾气的排放，因此调整能源产业结构已迫在眉睫。

为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫^{［1］［2］}。氢能因燃烧热值高、污染小，资源丰富成为新能源研究的对象，氢（H₂）燃料电池作为氢能利用的有效手段，已被美国《时代周刊》评为21世纪有重要影响的十大技术之一。

燃料电池是一种将储存于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其研究开发已半个多世纪，并取得了很大的成就。它作为一种绿色能源技术，可以同时解决环境保护和节约能源两大社会难题。目前，燃料电池按照电解质的不同主要分为5种类型，如表1所示^［3］，质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。表1给出了几种主要的燃料电池的基本性质和应用。可见，根据其各自的特性，燃料电池可以应用在不同场合，从小型便携式电源，到中型社区的热电联供，再到大型的固定电站等均可得到有效应用。

表1 几种燃料电池基本性质和主要应用

最近几年，PEMFC、SOFC、DMFC取得了迅猛发展，应用前景普遍被各国认可，部分燃料电池目前已经迈向市场，有望取得大规模市场应用，因此本文着重介绍上述三种燃料电池。

一 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

（一）PEMFC基本原理及简介

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是General Electric公司在20世纪50年代发明的，化学反应过程同酸性电解质燃料电池类似。工作环境温度为60℃～80℃，属于低温燃料电池，其电解质是固体的、不流动的，电池结构比较简单。

质子交换膜燃料电池的工作过程相当于水电解的逆过程。工作原理图如图2所示，实验装置由阳极、阴极和质子交换膜组成。氢气（H₂）在阳极催化剂作用下，解离为带正电的氢离子并释放出的电子，氢离子穿透质子交换膜到达阴极；电子在外电路形成电流；在电池阴极，氧气（O₂）在阴极催化剂作用下与氢离子发生反应生成水^［4］。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆（简称电堆）^［5］。

图2 质子交换膜燃料电池工作原理

（二）PEMFC的优点

效率高：对于PEMFC，由于工作过程中不涉及氢氧的燃烧，仅仅是氢和氧通过电化学反应生成水，因而不受卡诺循环的限制，其能量转化效率比较高，可以达到83%左右，是普通内燃机的两倍。与其他形式的发电技术相比，除核能外，这种发电形式平均单位质量燃料所能产生的电能燃料是最高的。

无污染：PEMFC的反应是电化学反应，而不是采用燃烧方式，因此无污染。燃烧会释放有害气体和尘埃等。PEMFC只会产生水和热，如果氢是通过可再生能源产生的，整个过程就是彻底地不产生有害物质排放的过程。

无噪声：燃料电池运行安静，噪声大约只有50分贝左右，相当于人们正常交谈的无噪声水平，适宜于安装在室内或室外对噪声有限制的地方。

无振动：PEMFC内部发生反应过程中，不需要运动部件传递能量和做功，因此没有运动部件工作产生的振动。

安全可靠性：PEMFC的安全可靠性主要来自电堆和