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。

　　燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)在(zai)產(chan)生(sheng)電(dian)能(neng)過(guo)程(cheng)中(zhong)並(bing)不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)明(ming)火(huo)，也(ye)不(bu)需(xu)要(yao)旋(xuan)轉(zhuan)式(shi)發(fa)動(dong)機(ji)等(deng)運(yun)動(dong)部(bu)件(jian)，因(yin)此(ci)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)構(gou)造(zao)簡(jian)單(dan)，能(neng)量(liang)利(li)用(yong)率(lv)高(gao)，噪(zao)音(yin)小(xiao)而(er)且(qie)穩(wen)定(ding)。理(li)論(lun)上(shang)，應(ying)用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)把(ba)氫(qing)燃(ran)料(liao)能(neng)量(liang)的(de)60~70%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)，zheleideranliaodianchibuxuyaocaiyongguijinshuzuoweicuihuaji。danyouyugongzuowendugao，xuyaocaiyongfuhefeirehuishouzhuangzhilailiyongfeire
，tijida，zhiliangzhong，zhishiheyongyudagonglvdefadianchangzhong。

　　5主要特性

　　傳統能源利用方式主要有兩大弊病：yishichucunyuranliaozhongdehuaxuenengbixushouxianzhuanbianchengrenenghoucainengbeizhuanbianchengjixienenghuodianneng，shoukanuoxunhuanjixiandaicailiaodexianzhi
，zaijiduansuohuodedexiaolvyibanyishangbeilangfei;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。

　　duonianlairenmenyizhizainulixunzhaojiyoujiaogaodenengyuanliyongxiaolvyoubuwuranhuanjingdenengyuanliyongfangshi
，erranliaodianchijiushibijiaolixiangdefadianjishu。ranliaodianchishifenfuza，shejihuaxuerelixue
、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、電(dian)池(chi)安(an)全(quan)穩(wen)定(ding)性(xing)差(cha)等(deng)方(fang)麵(mian)問(wen)題(ti)。而(er)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)是(shi)一(yi)種(zhong)純(chun)正(zheng)的(de)綠(lv)色(se)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)
，可(ke)減(jian)輕(qing)溫(wen)室(shi)效(xiao)應(ying)使(shi)全(quan)球(qiu)氣(qi)候(hou)變(bian)暖(nuan)
，符(fu)合(he)當(dang)前(qian)低(di)碳(tan)經(jing)濟(ji)的(de)需(xu)要(yao)，同(tong)時(shi)氫(qing)氣(qi)等(deng)燃(ran)料(liao)供(gong)給(gei)來(lai)源(yuan)途(tu)徑(jing)廣(guang)闊(kuo)
，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)發(fa)展(zhan)潛(qian)力(li)。如(ru)果(guo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)在(zai)技(ji)術(shu)上(shang)有(you)突(tu)破(po)的(de)話(hua)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)將(jiang)有(you)很(hen)大(da)的(de)發(fa)展(zhan)空(kong)間(jian)。

　　預計到本世紀20niandai，ranliaodianchijishudechengshujiangduililizidianchixingyezaochengyidingdechongji，erqiezhezhongjishutupozaizhengfuzhengcehetouruzhichibeijingxiayekenengbishichangyuqilaideyaozao，ranliaodianchideshangyehuajinchengkenenghuijiasu，yinci
，ranliaodianchimuqianzhengshoudaoqiyeyouqishigeguozhengfudezhongshi，jubeijiaogaodetouzijiazhi。saidiguwenrenweiweilairanliaodianchixingyefazhanzaiyuguanjianjishuhejiaqingwangluodengpingjingdetupo，touzizhongdianzaiyuranliaodianchidantihexinjichengbenzhanyongjiaogaodeguanjiancailiaoshang，zhongdianguanzhuzhangwohexinjishuhejubeizijinshilideranliaodianchiqiyeheyanjiujigou。