自一九七二年美国气体技术研究院组织召开了第一次国际氢能经济会议以来，氢能的发展势头迅猛，吸引了各行各业的科学工作者，氢能从一个科学问题转变成政治家争论的焦点。无容置疑，氢能的重要性不仅在于它能改变我们日常生活的能源结构，减少温室效应，而且已成为国家安全不可缺少的部分。氢能时代离我们还有多远？作者以多年的研究经验总结美国当今氢能的发展趋势，分别以三个部分以飨读者：燃料电池的市场化仍需努力；氢气的储存仍是瓶颈；可再生能源是氢气生产的选择。

1、前言

没有燃烧发动机的轰鸣，也没有发电机组的旋转，燃料电池在无噪声、无污染下将化学能直接转化成电能[1-3]。燃料电池是一种类似电化学电源的装置，不同于一般电化学电池之处是它的燃料和氧化剂是从外部提供（图1）。理论上燃料电池只要在燃料和氧化剂持续供给下可以一直工作下去。

图1 燃料电池的工作原理

燃料电池的分类是以其电解质来命名的。过去近40年中发展起来的电解质有碱性（如KOH）、酸性（磷酸和质子交换膜）、熔融盐和固体氧化物。在工作温度下，一些电解质是液体（如碱性、磷酸和熔融盐），一些电解质是固体（固体氧化物和质子交换膜），它们的工作温度从70℃，如碱性燃料电池（AFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC），到1000℃的固体氧化物燃料电池（SOFC）不等。每一个燃料电池由下面四部分组成：

A、阳极：燃料在此电极上氧化；

B、电解质：有导离子作用，同时也起到分开燃料和氧气的作用；

C、阴极：氧气在此电极上还原；

D、双极板：起收集电流、分配反应物和传输生成物的作用。

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图2 燃料电池与卡诺循环的热力学效率比较

另外还有几个特殊燃料电池以燃料命名，如直接甲醇燃料电池（DMFC）和直接碳燃料电池（DCFC），其效率和技术还在发展中。

燃料电池的优点具体表现在它的转换效率高。图2说明了燃料电池和一般内燃机效率的比较。由于燃料电池没有卡诺循环，其效率在包括热利用的情况下可达到70%，电效率也可达到40～50%。燃料电池的另一个优点是环境污染低，特别是减少了由于燃烧所产生的氮氧化物（NOx）。

燃料电池的发展面临着机遇和诸多挑战。美国能源部总结了成本和寿命是燃料电池商业化的主要障碍[4]。其它方面，诸如体积能量比，重量能量比，以及热和水管理所带来的系统问题都需要解决。燃料电池的商业化必须要解决以下问题：

图3 燃料电池的成本分析

（1）成本

燃料电池成本太高，要与内燃发动机竞争，其成本必须接近内燃机。目前内燃机成本为每千瓦25～35美元，燃料电池系统的价格必须接近每千瓦30美元才具备竞争力。燃料电池作为家用或其它辅助电源，其价格也必须低于1000 $/kW。图3列出了燃料电池电堆不同部分所占的成本比例[5]。质子交换膜和电极催化剂的成本占了整个电池电堆成本的一半多。其次双极板和气体扩散层也占有很大的比例。要使燃料电池商业化，必须降低质子交换膜的成本，寻找非贵金属催化剂，以及生产低廉的气体扩散层和双极板。

（2）耐用性和可靠性

燃料电池的耐用性和可靠性有待提高。燃料电池系统的寿命至今还没有确切的标准。对于车用燃料电池系统至少要达到当代车用内燃机引擎的寿命，即5000小时的寿命（相当于150,000英里）。而对于家用燃料电池系统，其寿命要达到40,000小时，工作温度从-35℃至80℃，只有这样才能得到市场的认可。

（3）重量和体积

燃料电池系统的重量和体积必须减少以达到车用的要求。这不仅要求燃料电池电堆体积小，重量轻，同时也要求其它配件如传感器，压缩机，过滤器等要小。

其它诸如空气、热及水处理，如何利用废热等都需要进一步的研究。美国能源部根据以上燃料电池发展所遇到的挑战，对于燃料电池各个部件进行攻关研究。去年美国公布了一亿美元的经费用于燃料电池研究，主要研究方向有质子交换膜和膜电极组合，催化剂和双极板等。

2、质子交换膜和膜电极组合的研究动态