1.2 发展历史

燃料电池历史可以追溯到19世纪，其工作原理由德国化学家Schönbein于1838年提出，并刊登在当时著名的科学杂志上。基于Schönbein的理论，英国物理学家Grove于1839年制造出第一台氢氧燃料电池装置，并在1842年发表氢氧发电装置草图，类似图1-4所示，原理是氢气在铂催化作用下生成氢离子，氢离子通过电解液传输到氧气侧生成水，电子通过外电路传输发电。为了提高所产生的电压，Grove将几个这种装置串联起来，终于得到了他所谓的“气体电池”。

图1-4 Grove制造的燃料电池装置草图[1]

“燃料电池”（fuel cell）一词于1889年由化学家Ludwig Mond和Charles Langer创造，他们试图用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置。但人们很快发现，如果要将这一技术商业化，必须克服大量的科学技术障碍。

1932年，剑桥大学的工程师Francis Thomas Bacon对Mond和Langer发明的装置做了多次修改，包括用比较廉价的镍网代替铂金电极，以及用不易腐蚀电极的硫酸电解质代替碱性的氢氧化钾，Bacon将这种装置叫作Bacon电池，它实际上就是第一个碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）。1959年，在经历27年后，Bacon才真正制造出能工作的燃料电池，他生产出第一台能够为焊机供电的5kW燃料电池，工作温度为150℃。同年，Allis-Chalmers公司的农业机械工程师Harry Karl Ihrig将1008块电池并联在一起组成15kW的燃料电池组，为一台20马力（1马力=735.499W）的拖拉机供电，制造出第一台以燃料电池为动力的车辆。上述发展为今天人们所知的燃料电池的商业化奠定了基础。

20世纪60年代初期，美国国家航空航天局（NASA）在寻找无人航天飞行动力的过程中，综合比较了干电池（太重）、太阳能（太贵）、核能（太危险）的优缺点后，持续资助美国通用电气公司（GE）开发燃料电池技术，首次研制出了以磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质的质子交换膜（proton exchange membrane，PEM），成功开发出为阿波罗（Apollo）登月飞船提供电力的碱性燃料电池堆，这是第一次商业化使用燃料电池。如图1-5所示，用于阿波罗登月飞船的碱性燃料电池总重100kg，总功率1.5kW，电极面积约700cm2。1968——1972年，燃料电池在阿波罗号的12次飞行任务中没有出现任何事故。

图1-5 阿波罗登月飞船的碱性燃料电池系统

自此之后，1973年的石油禁运危机使得燃料电池技术的研究在各国引起重视，此技术开始步入快速发展阶段。1993年，加拿大巴拉德动力系统（Ballard Power Systems）公司推出世界上首辆以质子交换膜（PEM）燃料电池为动力的车辆，之后燃料电池开始进军民用领域。因此，从20世纪90年代开始，燃料电池作为清洁、廉价、可再生的能源利用方式逐渐由实验室融入人类社会生活中。

自21世纪以来，部分汽车公司已设计出以燃料电池为动力的原型车辆，如日本丰田、德国宝马和中国上汽等。在北美和欧洲的许多城市中，如芝加哥、温哥华等，以燃料电池为动力的公共汽车也正在投入试用。2008年的北京奥运会，有20多辆燃料电池汽车承担了部分接驳任务；而2022年北京冬季奥运会，共投入了700余辆氢燃料电池公共汽车，用于日常的交通运输，人们期望在不久的将来能将这种车辆投放市场。在未来几十年，鉴于人们对现有自然资源耗竭的担心，以及越来越多的人意识到大量使用化石燃料对环境的破坏，必将促使燃料电池在移动动力和固定电源等领域的发展。