燃料电池 江銘輝 五夢網
一、前言
虽然170多年（1839年）前，英国一位律师、物理学家--葛罗夫（Sir William Grove）利用氢气与氧气从酸性电解质的反应中产生直流电流，发明了燃料电池（Fuel Cell），但由于不符合经济效应，一直没有推广。直到20世纪60年代，由于太空飞天行和国防的需要，才开始再发展，应用于太空飞行和潜水艇。近年来，由于能源的匮乏和环境保护，由于燃料电池具有高效率、零污染、低噪音开始受到世界各国的普遍重视。
二、 燃料电池的发展的里程碑
燃料电池的发展主要有下列阶段
• 1839年英国William Grove发明燃料电池，用它点亮伦敦讲演厅。
• 1889年Mood和Langer使用燃料电池这个名词
• 1959年首部燃料电池汽车问世。
• 1965年美国双子星5号和1970阿波罗宇宙飞船上应用燃料电池。
• 1991年美国建立200kW商业燃料电池发电厂。
三、燃料电池的特性分析
燃料电池有其他电池没有的特性，我们归类如下：
• 燃料电池是第三类电池：
一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池，用完就丢弃如锌锰干电池，锂原电池等。
二次电池是须充电的蓄电池，如铅酸蓄电池。
燃料电池既不是一次电池，也不属二次电池，我们估且称它为第三类电池。
• 燃料电池是化学电池：
化学电池〈碱性电池、铅蓄电池、燃料电池〉，物理电池：〈太阳能电池〉。
• 燃料电池是第四种发电设备：
传统发电厂有水力、核能、火力，燃料电池是最有潜力的家庭或小区型无电力网的发电设备。
• 燃料电池高效率、低污染、低噪音。
四、 燃料电池原理
1.一般原理：如图，燃料电池含阴阳两个电极，分别充满电解液，两个电极间夹有渗透性的薄膜。氢气由阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入。阳极的氢经催化剂的作用分解成两个氢质子与两个电子，质子穿透薄膜到阴极，电子则经由外电路到达阴极。在阴极催化剂作用下，氢质子、氧及电子作用形成水分子排放出去。
图1：燃料电池原理
2.甲醇燃料电池原理
阳极： CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e- →3 H2O
全反应： CH3 OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
圖2：甲醇燃料电池原理
甲醇燃料电池的原理是利用质子交换膜技术，直接以气态或液态的甲醇为燃料，甲醇在阳极转化成碳和氢，同一般的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。电极及电池反应如下：
阳极： CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
阴极： 3/2 O2 + 6H+ + 6e- →3 H2O
全反应： CH3 OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
总反应相当于甲醇燃烧生成CO2和H2O，反应的可逆电动势为1.183V，与氢氧燃料反应的可逆电动势（1.23V）相近。
由CH3OH阳极电化学氧化方程可知，每消耗1mol甲醇，同时也需1mol的水参与与反应。
五、 应用
1.燃料电池的应用范围上至宇宙飞船，下至潜艇；小到手机、笔记型本计算机，大到汽车的动力，或小区、医院及家庭的发电设备，前景十分广阔。
• 携带式燃料电池：
笔记本电脑、数字相机、手机、小型音响
• 固定式燃料电池：
住宅、小区、大楼、医院等发电设备
• 移动式燃料电池：
运输交通工具─汽车、宇宙飞船、潜艇等。
2. 未来发展
(1)携带式燃料电池
• 美国Medis科技公司已开发一款当作充电器的燃料电池。2006年 夏季准备向手机市场进军价格将定为10美元～15美元之间。
• 根据2005年10月26日东京 Big Sight国际展览会的探讨：2007年在飞机上携带液体燃料的限制将会放宽，用于手机和音响功率为1W的小型燃料电池将问市。从2008年开始将进入量产阶段，市场逐步形成。
(2)移动式燃料电池
l 旧金山市目前有90辆氢电车行驶，全市共有16个加氢站。到2005年底加氢站将扩大到27个，到2010年将达到50个。按计划，到2007年，该协会将在旧金山和洛杉矶两个大城市中推出300辆氢电汽车和公交车投入日常使用。
l 美国燃料电池理事会（USFCC）预测到2010年，燃料电池汽车的市场占有率将达到2.7%-4.3%，因此，大概有60万到120万的燃料电池汽车。
(3)固定型燃料电池
加州燃料电池咨询公司波利丁（Polydyne) 执行长彼得·伯斯预言2006至2010年间有1%的美国家庭使用燃料电池；那时，一台5千瓦功率的机器要7000美元。再过几年，价格会降至1200美元，走入一半的美国家庭。更大胆的预测到2031年，美国将有99%的家庭用电不再需要与输电网连接。
范例（本文图文件取自各厂商，如有不便，敬请原諒）
图001：使用燃料电池的德国212型U31潜艇（2003年试验）
图002：2005年出厂三菱燃燃料汽车
图003：东芝推出了小型携带电子仪器的燃料电池。重量只有8.5公克甲醇燃料。
图004：LG的燃料电池（可供电10小时）
图005：1998年安装在柏林的250kW的燃料电池电厂
六、 燃料电池市场
1.分析（参考图001至005）
美国Allied Business Intelligence(ABI) 公司最新发表的研究报告指出，2004年全球燃料电池市场规模还微不足道，以保守估计在2013年销售市场成长到186亿美元，但若是美国、欧洲和日本这三地区能增进汽车燃料电池技术改进，大胆预测在2013年销售市场成长到350亿美元。主要来自三大应用领域：汽车，固定式发电(Stationary) 和便携式电子产品。
2.燃料电池按电解质种类区分可分为五大类：
燃料电池有许多分类方法：以燃料的型态分，可分为气态（如氢燃料电池）和液态（如甲醇燃料电池）。以工作温度分又可分为低温（＜200℃）、中温（200～750℃）和高温（＞750℃）。按电解质种类分，又可分为碱型(Alkaline Fuel Cell, AFC)、磷酸型(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸盐型(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)、固体氧化物型(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)和高分子膜（Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC)五类。
有关燃料电池的种类与用途，请参考下表（燃料电池分类及其主要特性）
表：燃料电池分类及其主要特性
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燃料电池分类
〈以电解质区分〉
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低温燃料电池
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高温燃料电池
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PEMFC
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AFC
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PAFC
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MCFC
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SOFC
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质子交换膜燃料电池
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碱性燃料电池
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磷酸型燃料电池
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熔融碳酸盐型燃料电池
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固体氧化物燃料电池
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电解质
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质子可渗透膜
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氢氧化钾溶液
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磷酸
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锂和碳酸钾
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固体陶瓷
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适用燃料
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氢、天然气
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纯氢
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天然气、氢
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天然气、煤气、沼气
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天然气、煤气、沼气
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氧化剂
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空气
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纯氧
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空气
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空气
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空气
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运行温度
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85℃
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120℃
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190℃
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650℃
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1000℃
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发电效率
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43～58%
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60～90％
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37～42%
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> 50%
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50～65%
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适用范围
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汽车、航天
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航天
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建筑热电冷联产、集中热电联产
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总价格(包括安装费用，美元/千瓦)
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$1400
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$2700
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$2100
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$2600
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$3000
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七、结论〈21世纪能源之星〉燃料电池具有高效率、低污染、无噪音的特点。是21世纪能源明日之星，各国正在大力开发这种新型发电技术。美国Allied Business Intelligence (ABI) 公司预测在2013年市场将成长到350亿美元，下列是它的竞争优势：
‧使用在手机、笔记本电脑等之携带式电池：
高能量密度、无需充电
‧住宅、小区、医院等之固定型发电设备：
无噪音、低污染、无需输变电设施
‧汽车、潜水艇等移动式电池：
无污染、无噪音、续航力强