磷酸燃料电池已投入应用，同时，固体氧化物和质子交换膜发电机也逐渐向商业化靠拢。

人们对燃料电池期待已久。有几项计划正在进行，这些计划许诺能将燃料电池变为实用中的主流设备。这种发电设备可将燃料和氧化物的化学能转化为电能，但是各种技术难题和昂贵的成本阻碍了这种可重复加料的能源的广泛应用。1893年，威廉 · 格鲁夫（W. Grove）提出燃料电池的原理。1932年，弗朗西斯 · 贝肯（F. Bacon）研制出首例实际可用的燃料电池。

六十年后的1992年，位于康涅狄格州的国际燃料电池公司及其下属的Onsi公司，开始制造出用于发电的磷酸燃料电池。已有50个功率为200 kw的燃料电池投入应用，另有20个正准备出厂。

“这种燃料电池正在被证明是非常可靠的。”国际燃料电池公司的技术规划经理约瑟夫 · 金（Joseph King）说道：“对这项技术人们企盼已久。现在它正在向人们展示其功效。”

另外一些燃料电池的制造商也声称他们的设计已有了可观的进展，例如德国斯图加特市的戴姆勒 · 奔驰公司，底特律的通用汽车公司都在按各自的计划研制一种基于质子交换膜（PEM）的燃料电池汽车发动机。PEM燃料电池使用的是高分子聚合物薄膜电解液，这种电解液夹在镀有一层白金触媒的石墨电极之间。1993年3月，Ballard公司向人们展示了一辆使用燃料电池的汽车Ballard公司的工程师们正在研制第二辆样品汽车，它将使用更为先进的燃料电池，电池组的外形还能与汽车上通常被柴油发动机占用的空间相适应。

西屋电气公司已在宾夕法尼亚的Monroeville建起一座示范工厂，准备在2000年以前生产出固体氧化物燃料电池。这种电池的固体电解液是40微米厚的由氧化钇固定的氧化锆薄膜。电解液被包围在锰酸镧空气电极和镍燃料极之间，镍燃料极镶嵌在氧化钇固定的氧化锆上，一条9毫米宽的搀杂亚铬酸镧导线将相邻的电池连在一起。在早期的固体氧化物发电机装置里，由576个单元电池组成的电池组共发出20 kw的电能。

一台涡轮增压器给燃料电池输送天然气或煤气，电池中的高温（可达1，000℃）和触媒使燃气分解转化成电池所需的氢气和一氧化碳。带负电的；氧离子不断地流过电解液，从；空气极到达燃料极，在燃料极，分解的燃气又重新氧化。氧离子到达燃料极时，燃料极上的电子受碰撞，进入一个外部电路中，再经过规整就形成直流电。在这里，直流电通常要经过电力调节系统转变为交流电。

电子在外电路里流动，一直到达空气极，然后它们又与氧原子结合形成氧离子，氧离子又开始流过电解液。燃料电池中的电化反应产物只有水和二氧化碳。

西屋公司正在发展的固体氧化物燃料电池是一个投资为1.4亿美元的计划项目，涉及此项目的有美国能源部和加拿大、日本、美国的有关电力部门。西屋公司已对单个的燃料单元电池进行了长达50，000小时的测试，相当于实际使用了将近6年时间。单元电池的运行性能比希望的更为优越，工作1000多个小时后，电压下降只有0.5%。

直到1992年，西屋公司还在同时研制磷酸燃料电池和固体氧化物电池。但后来，该公司停止了对磷酸发电机装置的研制。因为，该公司的高级能量转化部门的总经理华特 · 唐纳德说：“固体氧化物燃料电池有着更为巨大的商业开发潜力。”

磷酸电池工作温度在200℃左右，其效率大约为40%。据西屋公司估计，当工作温度上升到1.000℃时，固体氧化物电池发电机的联合循环效率至少为50~60%。

由于它使用的是固体电解液，设计较为简单，而且其工作高温可使燃料分解转化。另外，燃料电池系统中运动部件极少（一个空气鼓风机，一个燃料泵，和几个阀门），这将使维修和制造成本降低。

磷酸发电机

国际燃料电池公司的磷酸发电机不仅可以发电，而且还可以每小时发出约750，000英国热量单位的热量——这个热量足以满足商用和居民建筑对热量的需求。电池发出的热量可用于水加热和房间空调。

该公司出产的燃料电池名为PC25A。到1992年，国际燃料电池公司和Onsi公司已向欧洲、亚洲、北美洲售出了大约50台发电机装置。它们分别用于医院、办公楼、疗养院、社区供热站、大学、宾馆等。其中大约有一半的电池已工作了一年多。另外有20台发电机装置正准备出厂。

PC25A有一个燃料处理系统，可将天然气转化为含氢高的气体，输送给大约由300个磷酸电池组成的电池组。燃料电池系统发出直流电，再由固体的变换电路转换为480 V的交流电。发电机可在标定的维修期内工作，每次连续工作时间大约为3000小时。有一个燃料电池不停地工作了315天，另一个工作了一年，其可用率为99.7%。

PEM燃料电池发动机

Ballard能源系统公司正在研制一种质子交换膜燃料电池，它用的高分子聚合物薄膜电解液夹在两层石墨电极之间，石墨电极的表面喷镀一层白金触媒。氢气到达阳极，氧气到达阴极时，燃料电池就可以产生出电流、热量和水。

Ballard公司已展示出由PEM燃料电池发动机驱动的、可乘20人的公共汽车。这个样品车的燃料电池尺寸比商用公共汽车所需要的燃料电池大一倍。Ballarrd公司的目的仅在于向人们证明由燃料电池驱动的公共汽车完全能够达到由柴油发动机驱动的公共汽车的工作性能。

为简便起见，公司的工程师们决定将压缩的氢气燃料存储在汽车上，这就用不着将另外一种燃气经化学反应分解成氢气。

该公司也正在开发适用于小汽车的燃料电池。

要想与由内燃机驱动的传动系统竞争，燃料电池驱动系统的成本应在每千瓦50~150美元之间。燃料电池给小汽车供电时，则应工作4，000到5，000小时，行程100，000英里。这与静态发电设备要求的20.000到40，000小时相差悬殊。由于对寿命的要求降低了，其成本就会大幅度降低。

对Ballard公司的燃料电池来说，成本和寿命取决于高分子聚合物电解液的耐久性和喷镀在石墨电极上的白金数量，在对寿命要求低的小汽车装置里。要求使用的白金比较少。另外，Ballard公司已研制出一种新的电解液薄膜，据称它比商用的聚四氟乙烯基薄膜要便宜。但该公司不愿透露这种薄膜的详细情况。

就燃料电池的基本应用范围而言，把它应用到小汽车上最为困难。因为商用的燃料电池体积庞大，它们很可能首先被应用到公共汽车或大货车上。Ballard公司正与通用汽车公司合作研制一种用在小汽车上的液态甲醇燃料电池。去年4月，戴姆勒，奔驰公司展示了一辆微型货车，它由氢燃料电池驱动，功率为50 kw，其发电机用的是Ballard公司的第一代技术。但要想在货车上实现商用，燃料电池的成本必须降低20~30倍。另外，它的功率密度也必须提高4~5倍。

燃料的存储也值得考虑。氢气不仅制造和运输成本高，而且能量密度低。在公共汽车上放一个体积庞大的压缩氢气瓶也许算不了什么，但在小汽车上，空间就显得很宝贵了。

燃料电池面临的挑战

不同形式的燃料电池相互间的竞争程度，远不如它们与其他形式的能源之间的竞争。在交通应用方面，燃料电池必须与普遍存在的内燃机竞争。内燃机发展到今天，它贫油燃烧的循环效率变得越来越高，而且，当它引用了先进的触媒转换器之后，废气排放也越来越低。在静态的能源设备上，其主要的竞争对手是透平发动机。随着时间的推移，透平发动机的效率也在提高。一台燃气/水蒸气透平发动机的联合循环效率可达55%。西屋公司的唐拉德说，一台燃气透平发动机的建造成本可低于每千瓦1.000美元。

而唯一已投入商用的磷酸燃料电池成本约为每千瓦3，000美元。燃料电池的制造商们坚持说，由于燃料电池自己特有的优点，它不能直接与别的能源相比。

目前，国际燃料电池公司和西屋公司都正在努力改进技术，以降低燃料电池的生产成本，并提高其输出功率密度。

在发展住宅区和在一些架设新的电线过于昂贵的城市里，燃料电池尤其有用。当需求和产量增加时，成本就会降低，燃料电池的制造商们就可以开始向要求输出功率高的客户销售他们的产品。

“这只是时间、技术和经济性的问题，”唐纳德说，“对各种燃料电池的需求都很高。事实上，我们也希望别的燃料电池制造商们成功。因为，这将证明，在一个可靠性成为成功的关键的时代，这项技术是可靠的。”

[Mechneical Engineering，1994年12月］