燃料電池——蓄勢待發的綠色電池

　　燃料電池(FuelCell)最早可追溯到1839年英國WilliamGrove進行的水逆電解反應時所發明的技術
，至於其真正的實用化，則直到20世紀60年代才實際應用在航天及太空上。到20世紀80年代，在環保、節能等全球議題帶動下，美國
、日本、加拿大、韓國及西歐各國等數百家公司及研究機構積極投入
，燃料電池開始進入民用市場，到20世紀90年代後期燃料電池技術新專利不斷產生。近年，在低碳經濟的全球背景下，燃料電池研發和商業化進程有加快趨勢。

　　1定義

　　燃料電池是一種在等溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效率(37~70%)地轉換成化學能的電源產品;由於所使用的主要是氫氣、醇類等燃料
，且轉動的組件極少，具有對環境負荷小(低汙染)、低噪音的特點

，故其不僅適合用於中央電廠和區域分散電廠發電
，亦可作為交通運輸工具(例如電動汽車

、電動機車及電動自行車等)的動力電源
，近年來，在國際領先企業的積極投入研發推動下，具有成為便攜式電子產品下一代動力電池的潛力。

　　2工作原理

　　燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)實(shi)質(zhi)是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)化(hua)學(xue)裝(zhuang)置(zhi)
，組(zu)成(cheng)與(yu)一(yi)般(ban)電(dian)池(chi)相(xiang)同(tong)
，其(qi)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)是(shi)由(you)正(zheng)負(fu)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)以(yi)及(ji)電(dian)解(jie)質(zhi)組(zu)成(cheng)。不(bu)同(tong)的(de)是(shi)一(yi)般(ban)電(dian)池(chi)的(de)活(huo)性(xing)物(wu)質(zhi)貯(zhu)存(cun)在(zai)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)，限(xian)製(zhi)了(le)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)，而(er)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)正(zheng)、負極本身不包含活性物質，隻是個催化轉換元件，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，負極供給燃料(氫)，正極供給氧化劑(空氣)。具體來說，它是利用一種叫質子交換膜的技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質子交換膜作用下
，在陽極催化分解成為質子(氫離子)和(he)電(dian)子(zi)，氫(qing)離(li)子(zi)進(jin)入(ru)電(dian)解(jie)液(ye)中(zhong)到(dao)達(da)正(zheng)極(ji)
，電(dian)子(zi)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)達(da)到(dao)正(zheng)極(ji)，而(er)是(shi)沿(yan)外(wai)部(bu)電(dian)路(lu)移(yi)向(xiang)正(zheng)極(ji)
，用(yong)電(dian)的(de)負(fu)載(zai)就(jiu)接(jie)在(zai)外(wai)部(bu)電(dian)路(lu)中(zhong)。在(zai)正(zheng)極(ji)上(shang)，空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)氧(yang)同(tong)電(dian)解(jie)液(ye)中(zhong)的(de)氫(qing)離(li)子(zi)吸(xi)收(shou)抵(di)達(da)正(zheng)極(ji)上(shang)的(de)電(dian)子(zi)形(xing)成(cheng)水(shui)並(bing)釋(shi)放(fang)熱(re)量(liang)。

　　ranliaodianchizaichanshengdiannengguochengzhongbingbuhuichanshengminghuo，yebuxuyaoxuanzhuanshifadongjidengyundongbujian，yinci
，ranliaodianchigouzaojiandan
，nengliangliyonglvgao，zaoyinxiaoerqiewending。lilunshang
，yingyongyuqichederanliaodianchikeyibaqingranliaonengliangde60~70%轉化為動能，而內燃機隻能達到20~25%。

　　3分類

　　燃料電池按照不同的標準可以劃分為不同的類別：如按照電池的運行機理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池;按照電解質的種類可分為堿性燃料電池(AFC)
、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC);按照燃料類型可劃分氫氣
、甲醇、甲烷
、乙烷等燃料電池;按照工作溫度可劃分為低溫型

、中溫型和高溫型燃料電池;按照結構類型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

　　4劃分標準類別

　　按運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

　　按電解質種類分為堿性燃料電池(AFC)
、磷酸燃料電池(PAFC)
、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)

　　按燃料類型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯
、丁烯
、丁烷等燃料電池

　　按工作溫度分為低溫型(溫度低於200℃)、中溫型(溫度為200~750℃)、高溫型(溫度高於750℃)燃料電池

　　按結構類型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

　　不同種類燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池

，如受車用動力青睞的質子交換膜燃料電池(PEMFC)，這(zhe)類(lei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)貴(gui)金(jin)屬(shu)作(zuo)為(wei)催(cui)化(hua)劑(ji)。燃(ran)料(liao)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)絕(jue)大(da)部(bu)分(fen)都(dou)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，隻(zhi)產(chan)生(sheng)少(shao)量(liang)的(de)廢(fei)熱(re)和(he)水(shui)，不(bu)產(chan)生(sheng)汙(wu)染(ran)大(da)氣(qi)環(huan)境(jing)的(de)氮(dan)氧(yang)化(hua)物(wu)
，不(bu)需(xu)要(yao)廢(fei)熱(re)能(neng)量(liang)回(hui)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)
，體(ti)積(ji)較(jiao)小(xiao)，質(zhi)量(liang)較(jiao)輕(qing)。但(dan)催(cui)化(hua)劑(ji)鉑(bo)(Pt)會與工作介質中的一氧化碳(CO)發生作用後產生“中毒”現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑(Pt)的價格很高，增加了燃料電池的成本。

　　在高溫(600~1000℃)下工作的燃料電池
，如熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，這zhe類lei的de燃ran料liao電dian池chi不bu需xu要yao采cai用yong貴gui金jin屬shu作zuo為wei催cui化hua劑ji。但dan由you於yu工gong作zuo溫wen度du高gao，需xu要yao采cai用yong複fu合he廢fei熱re回hui收shou裝zhuang置zhi來lai利li用yong廢fei熱re，體ti積ji大da，質zhi量liang重zhong，隻zhi適shi合he用yong於yu大da功gong率lv的de發fa電dian廠chang中zhong。

　　5主要特性

　　傳統能源利用方式主要有兩大弊病：一(yi)是(shi)儲(chu)存(cun)於(yu)燃(ran)料(liao)中(zhong)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)必(bi)需(xu)首(shou)先(xian)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)熱(re)能(neng)後(hou)才(cai)能(neng)被(bei)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)機(ji)械(xie)能(neng)或(huo)電(dian)能(neng)，受(shou)卡(ka)諾(nuo)循(xun)環(huan)及(ji)現(xian)代(dai)材(cai)料(liao)的(de)限(xian)製(zhi)，在(zai)機(ji)端(duan)所(suo)獲(huo)得(de)的(de)效(xiao)率(lv)一(yi)半(ban)以(yi)上(shang)被(bei)浪(lang)費(fei);二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的汙染。

　　多duo年nian來lai人ren們men一yi直zhi在zai努nu力li尋xun找zhao既ji有you較jiao高gao的de能neng源yuan利li用yong效xiao率lv又you不bu汙wu染ran環huan境jing的de能neng源yuan利li用yong方fang式shi，而er燃ran料liao電dian池chi就jiu是shi比bi較jiao理li想xiang的de發fa電dian技ji術shu。燃ran料liao電dian池chi十shi分fen複fu雜za，涉she及ji化hua學xue熱re力li學xue、電化學、電催化、材料科學、電力係統及自動控製等眾多學科相關理論
，具有發電效率高、環境汙染少等優點。

　　6燃料電池發展瓶頸

　　燃料電池與其他動力相比雖然有許多優點，但是也麵臨成本過大
、造價偏高的問題。例如車用質子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%，質子交換膜約占35%，這(zhe)兩(liang)者(zhe)的(de)造(zao)價(jia)都(dou)很(hen)昂(ang)貴(gui)。另(ling)外(wai)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)啟(qi)動(dong)速(su)度(du)與(yu)內(nei)燃(ran)機(ji)引(yin)擎(qing)還(hai)有(you)差(cha)距(ju)
，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)反(fan)應(ying)性(xing)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)二(er)者(zhe)存(cun)在(zai)不(bu)可(ke)兼(jian)得(de)的(de)矛(mao)盾(dun)。同(tong)時(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)碳(tan)氫(qing)燃(ran)料(liao)目(mu)前(qian)還(hai)無(wu)法(fa)直(zhi)接(jie)利(li)用(yong)，除(chu)甲(jia)烷(wan)外(wai)均(jun)須(xu)經(jing)轉(zhuan)化(hua)器(qi)處(chu)理(li)產(chan)生(sheng)純(chun)氫(qing)才(cai)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)。此(ci)外(wai)，儲(chu)氫(qing)技(ji)術(shu)的(de)製(zhi)約(yue)和(he)加(jia)氫(qing)充(chong)氣(qi)站(zhan)基(ji)礎(chu)建(jian)設(she)的(de)不(bu)足(zu)也(ye)極(ji)大(da)地(di)製(zhi)約(yue)了(le)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)推(tui)廣(guang)。

　　總而言之
，燃料電池在以下幾個方麵有待突破。

　　燃料電池使用成本：(1)燃料電池使用貴金屬鉑作為催化，且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性;(2)氫氣製取成本高
，每公斤氫氣價格為汽油的數倍，儲運難度大
，氫氣儲運成本高;(3)燃料電池的穩定性
、壽命、複雜路況下的性能衰減，維護費用較高。

　　加氫網絡：氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體，且很難液化。氣體狀態下，能量密度低(680個大氣壓下的氫氣氣體

，能量密度僅為一加侖汽油液體的14%)。氫能基礎設施落後，短時間內難以組成一個像加油站一樣的網絡。

　　7結語

　　通過對比不同類型電池性能和應用後，賽迪顧問認為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動力電池領域占據主導地位，但由於汙染性和續航能力等問題，傳統的鉛酸
、鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)將(jiang)逐(zhu)漸(jian)被(bei)淘(tao)汰(tai)。隨(sui)著(zhe)鋰(li)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)成(cheng)熟(shu)，製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)和(he)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)的(de)逐(zhu)漸(jian)提(ti)高(gao)，鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)未(wei)來(lai)五(wu)到(dao)十(shi)年(nian)內(nei)將(jiang)是(shi)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)發(fa)展(zhan)的(de)主(zhu)流(liu)方(fang)向(xiang)。

　　但是，鋰離子電池存在下遊原料供應短缺

、dianchianquanwendingxingchadengfangmianwenti。erranliaodianchishiyizhongchunzhengdelvseqingjienengyuan
，kejianqingwenshixiaoyingshiquanqiuqihoubiannuan，fuhedangqianditanjingjidexuyao，tongshiqingqidengranliaogonggeilaiyuantujingguangkuo，ranliaodianchijuyouhendadefazhanqianli。ruguoranliaodianchizaijishushangyoutupodehua，ranliaodianchijiangyouhendadefazhankongjian。

　　預計到本世紀20年nian代dai，燃ran料liao電dian池chi技ji術shu的de成cheng熟shu將jiang對dui鋰li離li子zi電dian池chi行xing業ye造zao成cheng一yi定ding的de衝chong擊ji，而er且qie這zhe種zhong技ji術shu突tu破po在zai政zheng府fu政zheng策ce和he投tou入ru支zhi持chi背bei景jing下xia也ye可ke能neng比bi市shi場chang預yu期qi來lai得de要yao早zao

，燃ran料liao電dian池chi的de商shang業ye化hua進jin程cheng可ke能neng會hui加jia速su，因yin此ci，燃ran料liao電dian池chi目mu前qian正zheng受shou到dao企qi業ye尤you其qi是shi各ge國guo政zheng府fu的de重zhong視shi
，具ju備bei較jiao高gao的de投tou資zi價jia值zhi。賽sai迪di顧gu問wen認ren為wei未wei來lai燃ran料liao電dian池chi行xing業ye發fa展zhan在zai於yu關guan鍵jian技ji術shu和he加jia氫qing網wang絡luo等deng瓶ping頸jing的de突tu破po
，投tou資zi重zhong點dian在zai於yu燃ran料liao電dian池chi單dan體ti核he心xin及ji成cheng本ben占zhan用yong較jiao高gao的de關guan鍵jian材cai料liao上shang，重zhong點dian關guan注zhu掌zhang握wo核he心xin技ji術shu和he具ju備bei資zi金jin實shi力li的de燃ran料liao電dian池chi企qi業ye和he研yan究jiu機ji構gou。