什么是燃料電池

　　燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是最有發展前途的發電技術。

　　燃料電池原理

　　燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極（負極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。

　　燃料電池組成結構

　　燃料電池的主要構成組件為：電極（Electrode）、電解質隔膜（ElectrolyteMembrane）與集電器（CurrentCollector）等。

　　1、電極

　　燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所，其性能的好壞關鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。

　　電極主要可分為兩部分，其一為陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結構與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結構，所以設計成多孔結構的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度與降低極化作用，故發展出多孔結構的的電極，以增加參與反應的電極表面積，而此也是燃料電池當初所以能從理論研究階段步入實用化階段的重要關鍵原因之一。

　　目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴散層支撐一薄層觸媒材料而構成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。

　　2、電解質隔膜

　　電解質隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子，故電解質隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現階段的技術而言，其一般厚度約在數十毫米至數百毫米；至于材質，目前主要朝兩個發展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內，另一則是采用全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

　　3、集電器

　　集電器又稱作雙極板（BipolarPlate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設計及其加工技術。

　　燃料電池優點

　　燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續供給燃料，燃料電池便能連續發電，已被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發電技術。

　　發電效率高

　　燃料電池發電不受卡諾循環的限制。理論上，它的發電效率可達到85%～90%，但由于工作時各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉化效率約為40%～60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用率可高達80%以上。

　　環境污染小

　　燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時，二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上，這對緩解地球的溫室效應是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫，而且按電化學原理發電，沒有高溫燃燒過程，因此幾乎不排放氮和硫的氧化物，減輕了對大氣的污染。

　　比能量高

　　液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池（能量密度最高的充電電池）高10倍以上。目前，燃料電池的實際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實際比能量高很多。

　　噪音低

　　燃料電池結構簡單，運動部件少，工作時噪聲很低。即使在11MW級的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音也低于55dB。

　　燃料范圍廣

　　對于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求，可減緩主流能源的耗竭。

　　可靠性高

　　當燃料電池的負載有變動時，它會很快響應。無論處于額定功率以上過載運行或低于額定功率運行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運行高度可靠，可作為各種應急電源和不間斷電源使用。

　　易于建設

　　燃料電池具有組裝式結構，安裝維修方便，不需要很多輔助設施。燃料電池電站的設計和制造相當方便。

　　燃料電池電動車的優點與缺點分析

　　燃料電池電動車的優點

　　與傳統汽車、純電動汽車技術相比，燃料電池電動汽車具有以下優點。

　　①零排放或近似零排放，綠色環保。燃料電池電動汽車在本質上是一種零排放汽車，燃料電池沒有燃燒過程，若以純氫作燃料，通過電化學的方法，將氫和氧結合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生成物除水之外還可能有少量的C02，但其排放量比內燃機要少得多，且沒有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氫化物或微粒）問題，接近零排放。與傳統汽車相比既減少了機油泄漏帶來的水污染，又降低了溫室氣體的排放。

　　②能量轉換效率高，節約能源。燃料電池的能量轉換效率極高。燃料電池沒有活塞或渦輪等機械部件及中間環節，不經歷熱機過程，不受熱力循環（卡諾循環）限制，故能量轉換效率高，燃料電池的化學能轉換效率在理論上可達100%，實際效率已達60%～80%，是普通內燃機熱效率的2～3倍（汽油機和柴油機汽車整車效率分別為16%-18%和22%～24%）。因此，從節約能源的角度來看，燃料電池汽車明顯優于使用內燃機的普通汽車。

　　③燃料多樣化，優化了能源消耗結構。燃料電池所使用的氫燃料來源廣泛，自然界中，氫能大量存儲在水中，可采用水分解制氫，也可以從可再生能源獲得，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利于能源供應安全和利用現有的交通基礎設施（如加油站等）。燃料電池不依賴石油燃料，各種可再生能源可以轉化為氫能加以有效利用，減少了對石油資源的依賴，優化了交通能源的構成。

　　④續駛里程長，性能優于其他電池的電動汽車。采用燃料電池發電系統作為能量源，克服了純電動汽車續駛里程短的缺點，其長途行駛能力及動力性已經接近于傳統汽車。燃料電池汽車可以車載發電，只要帶上足夠的燃料，它可以把我們送到任何想去的地方。燃料電池電動汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補充燃料時間上）明顯優于其他電池的電動汽車。

　　⑤過載能力強。燃料電池除了在較寬的工作范周內具有較高的工作效率外，其短時過載能力可達額定功率的200%或更大，更適合于汽車的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時過載能力可達200%的額定功率。

　　⑥運行平穩、低噪聲燃料電池屬于靜態能量轉換裝置，除了空氣壓縮機和冷卻系統以外無其他運動部件，因此與內燃機汽車相比，擺脫了馬達的轟鳴，運行過程中噪聲和振動都較小。

　　燃料電池電動車的缺點

　　汽車業界普遍認同的一個觀點是，燃料電池技術是內燃機技術最好的替代物，代表了汽車未來的發展方向。但如果將發展燃料電池汽車的幾個制約因素考慮進來，則會發現燃料電池汽車目前和今后一段時間尚不具備商業化的條件。

　　①燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高。制約燃料電池汽車推廣應用的最大因素之一是燃料電池的生產成本一直居高不下。如何降低燃料電池的生產成本成為燃料電池汽車實用化的關鍵。據美國能源部測算，目前燃料電池的生產成本已降為500美元／kN。專家估計，只有當燃料電池的生產成本降至50美元／kW的水平才能為消費者所接受．也就是說．當一臺80kW的汽車用燃料電池的成本降到目前汽油發動機的3500美元的價格時，才能創造巨大的市場效益。從市場經濟學角度講，高成本很難完成市場化推廣，而無法實現市場化就不可能大規模批量生產，進而成本就無法降下來，最終導致成本與銷售的惡性循環。

　　另一方面，燃料電池汽車的使用成本過也高，氫氣的售價并不廉價，因此燃料電池車的運行成本并不令人樂觀。目前由燃料電池發電系統提供lkW·h電能的成本遠高于各種動力電池，這從一個側面反映了作為汽車動力源，燃料電池還有相當遠的距離。

　　②啟動時間長，系統抗震能力還需提高。采用氫氣為燃料的FCEV啟動時間一般需要超過3min，而采用甲醇或者汽油重整技術的FCEV則長達lOmin，比起內燃機汽車啟動的時間長得多，影響其機動性能。此外，當FCEV受到振動或者沖擊時，各種管道的連接和密封的可靠性需要進一步的提高，以防止泄漏，降低效率，嚴重時引發安全事故。

　　③經濟且無污染地獲取純氫燃料還存在技術難點。通過重整或改質技術轉化傳統的化石燃料獲取純氫天然氣，不僅要消耗大量的能量，而且并沒有從根本上擺脫對化石能的依賴，也沒有從根本上消除對環境的污染。自然界中，氫能大量存儲在水中，雖然取之不盡，但直接使用熱分解或是電解的辦法從水中制氫顯然不劃算。因此多數科學家都將目光轉向了利用太陽能，但是還存在許多技術障礙。目前，他們正在進行太陽能分解水制氫、太陽能發電電解水制氫、陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉價地生產出氫燃料，氫燃料電池民用汽車的燃料問題才算獲得了根本性解決。

　　④氫燃料電池汽車燃料的供應還有大量的技術問題有待解決。通常氫能以三種狀態存儲和運輸：高壓氣態、液態和氫化物形態。用常用的壓縮氣體罐儲存的氫，只能供燃料電池汽車行駛150km，續駛里程太短，還不如蓄電池驅動的汽車。由于氫氣是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成極度可怕的后果。而在-253℃的條件下儲存液氫的深度制冷技術目前還很不成熟．就全球來說，目前能夠加液氫的加氫站也沒有幾家。值得欣慰的是，儲氫材料的開發已取得了一定的進展。

　　⑤供應燃料輔助設備復雜，且質量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經重整器出來的“粗氫氣”含有使催化劑“中毒”失效的少量有害氣體，必須采用相應的凈化裝置進行處理，增加了結構和工藝的復雜性，并使系統變得笨重。目前普遍采用氫氣燃料的FCEV，因需要高壓、低溫和防護的特種儲存罐，導致體積龐大，也給FCEV的使用帶來了許多不便。