什么是燃料電池

　　燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)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(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

　　燃料電池原理

　　燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極（負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

　　燃料電池組成結(jié)構(gòu)

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

　　1、電極

　　燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)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(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)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(tài)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(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。

　　2、電解質(zhì)隔膜

　　電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強(qiáng)度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個(gè)發(fā)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(nèi)，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(dǎo)反應(yīng)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(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

　　燃料電池優(yōu)點(diǎn)

　　燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電，已被譽(yù)為是繼水力、火力、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。

　　發(fā)電效率高

　　燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)的限制。理論上，它的發(fā)電效率可達(dá)到85%～90%，但由于工作時(shí)各種極化的限制，目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。

　　環(huán)境污染小

　　燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時(shí)，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40%以上，這對(duì)緩解地球的溫室效應(yīng)是十分重要的。另外，由于燃料電池的燃料氣在反應(yīng)前必須脫硫，而且按電化學(xué)原理發(fā)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(duì)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(shí)際比能量盡管只有理論值的10%，但仍比一般電池的實(shí)際比能量高很多。

　　噪音低

　　燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)部件少，工作時(shí)噪聲很低。即使在11MW級(jí)的燃料電池發(fā)電廠附近，所測(cè)得的噪音也低于55dB。

　　燃料范圍廣

　　對(duì)于燃料電池而言，只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，例如天然氣、石油、煤炭等化石產(chǎn)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(dāng)燃料電池的負(fù)載有變動(dòng)時(shí)，它會(huì)很快響應(yīng)。無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。

　　易于建設(shè)

　　燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便，不需要很多輔助設(shè)施。燃料電池電站的設(shè)計(jì)和制造相當(dāng)方便。

　　燃料電池電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)分析

　　燃料電池電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車技術(shù)相比，燃料電池電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)。

　　①零排放或近似零排放，綠色環(huán)保。燃料電池電動(dòng)汽車在本質(zhì)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(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機(jī)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(nèi)燃機(jī)要少得多，且沒有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘＃﹩栴}，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機(jī)油泄漏帶來的水污染，又降低了溫室氣體的排放。

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

　　③燃料多樣化，優(yōu)化了能源消耗結(jié)構(gòu)。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(chǔ)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(yīng)安全和利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)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(zhuǎn)化為氫能加以有效利用，減少了對(duì)石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構(gòu)成。

　　④續(xù)駛里程長，性能優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。燃料電池汽車可以車載發(fā)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(dòng)汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上）明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。

　　⑤過載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范周內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過載能力可達(dá)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(shí)過載能力可達(dá)200%的額定功率。

　　⑥運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無其他運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，擺脫了馬達(dá)的轟鳴，運(yùn)行過程中噪聲和振動(dòng)都較小。

　　燃料電池電動(dòng)車的缺點(diǎn)

　　汽車業(yè)界普遍認(rèn)同的一個(gè)觀點(diǎn)是，燃料電池技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最好的替代物，代表了汽車未來的發(fā)展方向。但如果將發(fā)展燃料電池汽車的幾個(gè)制約因素考慮進(jìn)來，則會(huì)發(fā)現(xiàn)燃料電池汽車目前和今后一段時(shí)間尚不具備商業(yè)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(yīng)用的最大因素之一是燃料電池的生產(chǎn)成本一直居高不下。如何降低燃料電池的生產(chǎn)成本成為燃料電池汽車實(shí)用化的關(guān)鍵。據(jù)美國能源部測(cè)算，目前燃料電池的生產(chǎn)成本已降為500美元／kN。專家估計(jì)，只有當(dāng)燃料電池的生產(chǎn)成本降至50美元／kW的水平才能為消費(fèi)者所接受．也就是說．當(dāng)一臺(tái)80kW的汽車用燃料電池的成本降到目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的3500美元的價(jià)格時(shí)，才能創(chuàng)造巨大的市場效益。從市場經(jīng)濟(jì)學(xué)角度講，高成本很難完成市場化推廣，而無法實(shí)現(xiàn)市場化就不可能大規(guī)模批量生產(chǎn)，進(jìn)而成本就無法降下來，最終導(dǎo)致成本與銷售的惡性循環(huán)。

　　另一方面，燃料電池汽車的使用成本過也高，氫氣的售價(jià)并不廉價(jià)，因此燃料電池車的運(yùn)行成本并不令人樂觀。目前由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供lkW·h電能的成本遠(yuǎn)高于各種動(dòng)力電池，這從一個(gè)側(cè)面反映了作為汽車動(dòng)力源，燃料電池還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

　　②啟動(dòng)時(shí)間長，系統(tǒng)抗震能力還需提高。采用氫氣為燃料的FCEV啟動(dòng)時(shí)間一般需要超過3min，而采用甲醇或者汽油重整技術(shù)的FCEV則長達(dá)lOmin，比起內(nèi)燃機(jī)汽車啟動(dòng)的時(shí)間長得多，影響其機(jī)動(dòng)性能。此外，當(dāng)FCEV受到振動(dòng)或者沖擊時(shí)，各種管道的連接和密封的可靠性需要進(jìn)一步的提高，以防止泄漏，降低效率，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故。

　　③經(jīng)濟(jì)且無污染地獲取純氫燃料還存在技術(shù)難點(diǎn)。通過重整或改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)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(duì)化石能的依賴，也沒有從根本上消除對(duì)環(huán)境的污染。自然界中，氫能大量存儲(chǔ)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(shù)科學(xué)家都將目光轉(zhuǎn)向了利用太陽能，但是還存在許多技術(shù)障礙。目前，他們正在進(jìn)行太陽能分解水制氫、太陽能發(fā)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(jià)地生產(chǎn)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(yīng)還有大量的技術(shù)問題有待解決。通常氫能以三種狀態(tài)存儲(chǔ)和運(yùn)輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。用常用的壓縮氣體罐儲(chǔ)存的氫，只能供燃料電池汽車行駛150km，續(xù)駛里程太短，還不如蓄電池驅(qū)動(dòng)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(chǔ)存液氫的深度制冷技術(shù)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(chǔ)氫材料的開發(fā)已取得了一定的進(jìn)展。

　　⑤供應(yīng)燃料輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經(jīng)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(yīng)的凈化裝置進(jìn)行處理，增加了結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性，并使系統(tǒng)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(hù)的特種儲(chǔ)存罐，導(dǎo)致體積龐大，也給FCEV的使用帶來了許多不便。