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。

　　燃料電池的原理

　　燃料電池是一種能量轉化裝置，它是按電化學原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，因而實際過程是氧化還原反應。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經外電路傳導到陰極并與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成回路，產生電流。同時，由于本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料電池還會產生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外，也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結構，以便于反應氣體的通入和產物排出。電解質起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導致電池內短路，電解質通常為致密結構。

　　燃料電池的組成結構

　　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。

　　燃料電池的優點

　　（1）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應直接將化學能轉變成電能，沒有中間的能量轉化環節，因而這種發電方式能量轉化效率可高達50％。還可回收發電過程中產生的余熱。若把產生的余熱再用于發電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達到80％。

　　（2）燃料電池發電過程，機械部件很少，噪聲低；化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環境。在環境污染日趨嚴重的今天，燃料電池的這個優點尤其可貴。

　　（3）燃料電池中所使用的燃料，既可是天然氣、煤氣和液化燃料，也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據不同地區的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發電系統，這可廣開燃料來源途徑，緩解能源緊張。

　　（4）燃料電池從中斷運轉到再啟動，輸電能力回升速度快，并可在短時間內增加和減少電力輸出。因此將這種發電系統與其他輸電網連接使用最為有利，可隨時補充電網在用電高峰時所需的部分電能。

　　（5）燃料電池本身為一個“組合體”，所用部件可事先在工廠生產，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節省建電站的時間。

　　燃料電池是新能源的希望嗎

　　相比于純電池車，燃料電池車也可以像傳統燃油車一樣，在加氣站迅速加滿氫氣燃料而不需要慢慢地等電池充滿；同時，只要氣罐的容積足夠大，耐壓標準足夠高，燃料電池儲滿高壓氫氣一口氣跑500公里以上都不是問題；此外，相比于電池車在達到使用年限后，在眼下還沒有找到出路的電池回收問題，燃料電池技術卻可以保證整個系統的回收再利用。　不過、既然燃料電池有這么多的好處，那為什么沒有大行其道呢？這其中一定有緣由！

　　1、現階段燃料電池系統技術復雜，體積較大

　　在燃料電池中，質子交換膜和基板是燃料電池的兩個核心組成部分（這兩個零部件直接決定了燃料電池的壽命），由于燃料氫氣需要依靠這兩個部分來發生化學反應，生產出驅動電機的“電子”，這就意味著燃料電池從開始工作到順利生產出“電”來，中間存在一個時間遲滯（目前國產的燃料電池，可以把這個滯后控制在10秒左右），考慮到車輛不可能在踩下油門踏板10秒鐘之后才起步，所以燃料電池車必須像電動車一樣，搭載一塊相對小一點兒的儲能電池。

　　2、燃料電池的制造成本在逐步降低，但依然很高

　　由于燃料電池對貴重金屬（鉑金）的需求較高，且國內能生產燃料電池兩個核心組成部分的企業很少（國內只有山東東岳實現了質子交換膜的關鍵技術突破，國際上有3M和杜邦等公司可以生產高標準的膜產品），所以從國際和國內兩個角度來講，現階段燃料電池的制造成本降不下來，直接導致燃料電池的發電成本也居高不下。

　　3、眼下國內缺少適宜乘用車使用的燃料電池技術

　　對燃料電池來說，根據基板材質的不同，可以分為幾個不同的種類。

　　碳基復合板——以碳為主要材質做成的基板，此類基板組成的燃料電池（下圖）有穩定、導電導熱性好的特點，但由于碳基板相對較厚（為保證強度），所以相應的燃料電池組尺寸也同步增大，這就導致了能量密度的降低，使這類基板組成的燃料電池系統，只能用于一些對體積要求不高的商用車（客車或貨車）。

　　金屬復合板——以金屬材質構構成的基板，具有強度高，單片薄和低溫啟動速度快的特點，這就允許燃料電池組更易實現輕量化，更高的能量密度（比碳基板提高至少50%）和反應速度。但是由于金屬復合板在燃料電池的工作環境中不耐腐蝕，壽命短，發熱穩定性不好，工作時表面電阻大，所以以金屬復合板構成的燃料電池系統對技術的要求更高。

　　鈦板——用金屬鈦制成的燃料電池基板，融合了以上碳復合基板和金屬復合板燃料電池的諸多優點，但唯獨在成本這一方面上做不到喜大普奔，所以用鈦板打造的燃料電池系統，只能用在不差錢的行業上，比如驅動一架造價不菲的無人機（絕非大疆之流）。

　　眼下，豐田和本田給自己燃料電池車使用的燃料電池組均屬于金屬復合板，而國內此類燃料電池系統的生產工藝、成本控制和性能方面，與這兩個日系品牌的產品還存在不小的差距，所以目前國內相對較為成熟的燃料電池系統（碳基復合板為主），都只能應用在一些大型商用車上，而少有給乘用車使用的燃料電池組。不過車云菌在此次燃料電池會議上得知，國內像氫鏷這樣在燃料電池領域居于技術前沿的公司，有望在未來幾年生產出具有競爭力的金屬復合板燃料電池。

　　4、氫氣的制取和運輸都是難題

　　任何一種能源能被社會廣泛接受，從人性的層面來說，都是“產業鏈成本”的勝利，化石燃料能大行其道，是其在勘探、開采、提煉、運輸、消費和使用層面的綜合成本達到了“業內最低”，因此，想討論燃料電池的可行性，就必須系統性的討論它的系統成本。

　　雖然燃料電池在使用層面的環保成本很低，但燃料氫氣的制取卻是橫亙在我們眼前的一座大山。雖然我們可以通過煤制氫、化工制氫、水電和風電制氫這些“邊際辦法”來獲得一部分氫氣，可一旦燃料電池系統（車）在社會中的使用量達到一定量級，大工業化制氫是唯一的解決辦法。可一旦我們為了氫氣而制氫，那么相比于化石燃料來說，燃料電池產業的系統成本是不是還具有優勢，我們就不得而知了。

　　此外，氫氣的運輸和保存，是個必須要認真研究的問題。就一輛氫燃料電池車來說，眼下我國對氫氣罐制定的國標是35兆帕標準，這個壓力標準對燃料電池組來說并不能幫助后者獲得具有競爭力的續航能力（能量密度），但是更進一步的70兆帕國標，目前還是空白。

　　此外，氫氣是一種非常特別的氣體，第一是因為它的易燃性：在空氣中，只要氫氣的體積濃度介于4.1%～74.2%之間，這時就可能會發生爆炸，所以氫氣在運輸和加注過程中，對泄漏的控制肯定要比汽油嚴格得多，這就意味著加氫站不能像充電樁那樣建好就不用管了，而必須有專人照看和維護。

　　5、國內燃料電池車的未來在哪里？

　　說句不大客氣的話，如果沒有政策補貼存在的話，國內的燃料電池研究和電動車研發，可能都要晚很多年才會出現。

　　根據眼下政策補貼策略和國內燃料電池技術的特點，若干年內國內推進燃料電池商用車的示范應用還是可行的，因為一來這樣燃料電池汽車的生態閉環可以限定在一個很小的范圍內“試運行”，政策補貼在這個小圈子內也可以發揮最大的效果，且預料之外的特殊情況比較少。

　　從長久來看，燃料電池乘用車產業，將會遇到比電動車更為直接的“先有雞還是先有蛋”的問題——燃料電池車的加氫設備相比于汽油車的加油設備和電動車的充電樁來說，對操作人員技術水平和設備工藝的要求都高，因此加氫站的運營商更樂意看到燃料電池車達到一定數量之后才肯投入，而對于燃料電池車的消費者來說，肯定是周圍生活區域內存在可以使用的加氫站之后，才會考慮買燃料電池車。

　　因此，想解決這個“先有站還是先有車”的兩難問題，在未來行政手段和產業鏈的市場運作是必不可少的兩把推手；當然，貫穿其中的，必須是越來越低的燃料電池全產業鏈成本（包含制氫和使用成本）。只有不斷降低的綜合成本，才有可能讓這個產業在傳統化石燃料和純電動技術中間，穩固住自己的陣地。