燃料电池人类未来的能源终极解决方案

屡酿巨祸。世界为达成后京都没定　Ｉｓ时代温窀气体减量的用标，科　ｊ年《财富》杂志列山的仝肆　！业　除了零售、Ｊ　沃尔玛之　技大闰纷纷寻求洁净且具经济　效益的替代性能源　以氢气为燃抖　的燃料电池（Ｆｕ。ｌ　ｃｅｌｌ　ｊ．具订零　机弓『擎的　选　美国加Ｉ研究公司预　删ｒ全球燃料电池ｌ　场将…２００４年的　３　７５亿美元・陕速成长至２Ｏ】３ｔ１　的　１８６４／＇￣美元、细ｉ果汽车燃料电池肿技　术有所突破，２。１　３年的需求型可能倍　九家都有投资燃料电地或氢　：日前，仝球最大计算机．　污染、高电自Ｅ转换效率、低嗓音段可　增至３５ｏ．ｆ＆￣６。　，Ⅱｅｌ１）首先发难，寅布召回　再牛性等特点，已成为仝球寄予厚望的Ｓｏｎｙ笔记本型讣算机电　的绿色能源　嘲斗电地呐发艘　早在旧３９年有燃料电池之父之称　Ｊ产品有过热、起火爆炸的危　、呈琢囊暇硝魂陬代石油　的成廉‘葛滑犬爵十（Ｓｉｒ　订１ｉ锄　Ｇｒｃ　ｖｅ）便已发现将水的电解反威作逆　向操作可　生电能的现象　由于自然界巾没有丰富的氢气　体，直到ｔａ８９ｑ　菔吉　（Ｏｈａｒｌｅｓ　【一ａｎｇｅｒ）与蒙德（【Ｉ】ｌｎｗｉ　ｇ　ｎｄ）Ｉ咐位研　究哲仍尝试使用煤气与空气制作燃制　电池，当时也才定Ｆ了“ＦＩ】ｅｌ　ＣｅＩ１　这一名同ｒ忸均未执得成功：　月来，Ｓｏｎｙ也在全球陆续召　万组电池，不但造成电池大　目前市面上惯用的钝电池．使用　时限根难超过５４、时，技术已遇瓶　颈。但燃料屯池的续航力却丽出１０　倍，而且还可循环使用．只要补充燃　料（如氯、甲陴）即呵再生电　，盘¨　刷一台小型的发电机。更重要的是，　它坯足种零污染的绿色能源　发电过　程产生的副产．　只有水．相当环保，　ｌ认它的续航力与安全Ｊ　题开　论　绒电池山现使用问题｝寸，近　ｌ：发展的耶倮能源——燃料电　Ｉ　Ｃｅｌ１），又崛起为更受』、　商机。的确，近年米汕价不　球能源颇有面临枯竭之　方面石化燃制燃烧　：牛之废　的温室效臆，已在垒球并地　因此被砚为未来最可能跃居｝流的新　式能ｌ晾　连虽倚赖石油的汽车业，也　寄单以燃料电地取代现有的汽油引擎　ｌ８６６年＿西门予（ｗ。　。　Ｓｉ　ｅｍｅｎ）先生发现了机　电效应，揭　川。了燃油发电机的发Ｊ磋序幕，前使燃　维普资讯 http://www.cqvip.com

料电池技术黯然失色。１９００年代初期　虽然有后继的努力尝试将煤及碳转变　成电力，但内燃引擎的发明突然压抑　了这个刚萌芽的科技。　贝肯（Ｆｒａｎｃｉｓ　Ｂａｃｏｎ）后于１９３２年　车制造商所致力研发的未来绿色主流　交通工具。　发电系统，乃至功率高达百万瓦　（Ｍｗ）的固定式发电厂。　燃料电池所需利用的氢，是我们　蒜料电池的原理　燃料电池采用的是“冷燃烧”过　宇宙中最简单、最丰富的元素。它具　有一个电子围绕…个质子的组态，可　惜在地球不是以气态出现，总是以结　合其它元素的化合物形式存于自然界　程，为直接式能量转换器，将燃料　（氢及碳氢化合物等）的化学能转化为　电与热。　发展出堪称世界第一部成功的燃料电　池装置，该电池采用氢气与氧气为反　应物、碱性溶液电解质及镍金属电　单一发电元含有阴阳两个电极　中。它几乎可由任何含氢的化合物中　极，该设计的突破在于其制作成本远　低于蓝吉尔与蒙德当初的设计。　在克服了大量的技术问题后，　１９５９年贝肯及其公司才成功地展示出　第一具输出功率达５千瓦的实用级燃　料电池系统。同年伊律格（Ｈａｒｒｙ　Ｋａｒｌ　Ｉｈｒｉｇ）也展示出知名的燃料电　池驱动的２Ｏ马力牵引车。　在２Ｏ世纪５Ｏ年代末期，ＮＡＳＡ又重　新炒热了燃料电池的应用，开始建造　袖珍型的发电机以用于太空任务中。　ＮＡＳＡ随即资助了数以百计有关燃料电　池科技的研究合同。在１９６０年代几次　的太空任务中，燃料电池用于驱动登　月探险车及供应航天员饮用水，均证　明了它的实用性。　近几十年来燃料电池的发展，在　全球环保意识的推动下已朝向作为替　代性能源发展。大至大型的固定式发　电机组、发电厂；小至可携式电子产　品的电源供应件等，皆有各式各样的　燃料电池选择。燃料电池车辆（ｆｕｅ１　ｃｅｌ１　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＦＣＶ），更是各大汽　（分别为正、负二极），化学反应即是　在此二极表面发生。所有的燃料电池　都须有一种电解质，将带电的粒子从　一个电极输送至另一电极。电极中还　须有催化剂（ｃａｔａｌｙｓｔ），负责加速氧　化还原反应的进行。　现代的燃料电池依电解质或燃料　之别已可区分成种之多。但一般　的运作原理是，将氢气经由管路送达　阳极，并在阳极发生氢原子解离成一　个质子（即带正电之氢离子）与一个电　子的反应。带负电的电子在电动势的　驱使下流向阴极，遂形成供电回路产　生可作功的直流电流；质子则经由电　解质流向阴极。　氢元素虽是基本的燃料来源，但　没有氧气发电机制亦无法运作。绝大　部份的氢与氧化合后的产物是水——　一种无害的副产物，这就是燃料电池　既能发电又不会造成污染的优势之　处。　电解质对于燃料电池而言，亦扮　演关键角色。它必须具有只能让特定　的离子通过的特性。如果自由电子或　其它物质可随意进入电解质中，则化　学反应便会被破坏。不论带电荷的离　子是游向阳极或阴极来进行反应，主　要的产物都是水，水将在电极处收集　后排出电池体外。　只要发电元不断地被供给氢及氧　元素，该发电元便会持续产出电能。　现代用电需要交流电时，燃料电池的　直流电源可经变频器（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）再转　换成交流电。数个发电元串联在一　起，便形成电池组，使输出电压及功　率倍增。数个电池组串接，便可形成　萃取出来，是最终的洁净能源的载　体。一份的氢气所含的能量为同等份　量汽油的３倍之多。　如同所有的燃料一样，氢气也有　安全顾虑。　由于氢气内藏高量化学能，有爆　炸的危险。如同现今的石油及天然气　一般，必须有适当的安全操作程序，　但并不意味危险性较高，只是安全的　重点有所不同而已。　如“都市气体　（天然气、ｔｏｗｎ　ｇａｓ）”等民生常用的　燃料亦属以氢基燃料，目前仍在世界　各地使用。　氢气的制造、运输及使用在现今　工业环境中，可谓成熟，已具备完善　的安全作业标准。美国每年在公路上　运送的液化氢气量可达７０００万加仑，　未曾肇出重大灾害。　石化业、炼钢业长久以来使用氢　气，利用数百英里的管路输送氢气亦　已具备相当的安全性。　氢燃料的取得方式亦呈现多样　化。　传统式：来自天然气、汽油、柴　油及丙烷等。　再生性及替代性来源：甲醇、乙　醇、垃圾掩场沼气、生物分解气体及　维普资讯 http://www.cqvip.com

七瞄几舌　电池发电系统正在运作，供应医院、　疗养院、旅馆、办公大楼、学校、机　场及发电厂等主要或备援的电力。在　大型的建筑系统中，使用氢燃料发电　设备与传统的电力供应服务相比，可　节省２０％￣４０％的设施运转费用。若技　业者及专家们大多认为，２０１０年以前　ＦＶＣ汽车尚无法真正商业化。　其它运输工具的应用也是料想得　到的，诸如巴士、列车、飞机、摩托　车、高尔夫球车、堆高机等，举凡现　已有电气化设计的车辆均可适用。　可携式电源　术不断提升又能兼顾制造成本的降　低，燃料电池输电系统甚可能在未来　小型化的燃料电池一旦成功地进　取代现行的高压电力网络的供电模　入市场，消费者使用行动电话想要一　中萃取：水经电解作用可得氢　解所需电能多利用太阳能及风　凑能源。　新型：硼氢化钠水解制氢、海　＃ｌ壳中萃取等。　观预期下，氢气以其多样化资　哇可望在２０４０年前实现每日节　可桶石油的目标。　嘲应用　然料电池的原理被发现至今已　．年，虽然其技术的发展曾因　斗丰富的蕴藏配合内燃机技术　殳展而被忽视过。但由于工业　至济环境，加上人类欲望的无　长，在竞争下为求立即的享乐　资源的耗用罕有节制，更遑　刍然的谐调，各总因素加速了　由能源的耗尽，并造成环境的　０Ｉ！ｉ纪７０年代以来历经几波的　凡与２０世纪８０年代后日渐高涨　识，人们终于肯正视无度工　事端，各工业大国均开始倡导　的利用。　七背景下，燃料电池近几年来　亍发展逐渐开花结果，不但提　邑性能，其应用也已深入人们　衣住行。小至行动电话、膝　窗：大至航天飞机、高楼大　厂等都有燃料电池发挥的空　Ｂ依各种不同的应用，将燃料　以下几种类型。　：式发电　全世界已有超过２５００个燃料　式。　住宅用电　燃料电池技术用于重要地区的高　压输配电线路网的辅助电力或备用电　力，或是用在于电力网之外的偏　远地区或电力电缆难以到达现场的电　力供应等，均是理想的发电装置。此　外，由于燃料电池运作时几乎无噪　音，空气污染近乎零，而且排放的废　热还可以回收用于产生热水及暖气，　故特别适于家居之应用。现行许多正　在测试的原型系统或住宅示范案例，　均采用原地供应的天燃气或丙烷作为　燃料。　交通运输　所有的汽车主要大厂均在发展燃　料电池车辆（Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌ１　Ｖｅｈｉｃｌｅ），　有的已进入试产阶段。本田　（Ｈｏｎｄａ）与丰田（Ｔｏｙｏｔａ）汽车均已在　美国加州及日本当地开始经营出租　ＦＣＶ的业务。由于燃料载运技术的瓶　颈及氢气供应基础建设之不足，汽车　个月内都不须充电的愿望应可实现。　燃料电池可能改变通讯技术的发展，　为笔记型电脑、个人数位助理器、可　携式影音媒体播放器等，提供比二次　充电电池更长的供电时间。　由于燃料电池具有可微型化的特　点，未来可应用于摄像机、可携式工　具、低功率遥控装置、助听器、烟火　检知器、防盗器及军用品等。目前正　值研发阶段的直接甲醇式燃料电池　（ＤＭＦＣ）是这类应用的主流。甲醇即俗　称之木精或工业酒精，为廉价的燃　料，但电能转换效率是所有燃料电池　之最差者。　垃圾掩埋场及废水处理厂　垃圾掩埋及废水处理中常会产生　沼气，其主要成份为甲烷气体。将此　种气体经过转化器的作用即可萃取出　氢气。目前美国各地的许多掩埋场及　废水厂皆已采用燃料电厂方案，一方　面减少废气的排放量，另一方面又将　其回收利用来产生电力，供应厂区自　身所需的电力。　燃料电池晌优鹁　目前的科技手段中，尚没有一项　能源生成技术能如燃料电池一样将诸　多优点集合于一身。　能源安全性　自２０世纪７０年代的石油危机后，　各大工业国对石油的依赖仍有增无　减，而且主要靠石油输出国的供应。　美国载客车辆每日可消耗约６００万桶　油，占油料进口量之８５％。若有２０％的　车辆采用燃料电池来驱动，每日便可　省下１２０万桶油。　维普资讯 http://www.cqvip.com

国防安全性　燃料电池发电设备具有散布性的　内燃引擎的热效率约在ｌ０％～２ｏ％之　间。　反应／启动性能：燃料电池的启　动速度尚不及内燃机引擎。反应性可　依靠增加电极活性、提高操作温度及　反应控制参数来达到，但提高稳定性　则必须避免副反应的发生。反应性与　特质，它可让地区摆脱发电站式　的电力输配架构。长距离、高电压的　输电网络易成为军事行动的攻击目　环境亲和性　科学家们现在己认定空气污染是　造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶　标。燃料电池设备可采集中也可采分　散性配置，进而降低了敌人欲瘫痪国　家供电系统的风险。　之一。最近的健康研究显示，市区污　染性的空气对健康的威胁如同吸入二　稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。　碳氢燃料无法直接利用：除甲醇　外，其它的碳氢化合物燃料均需经过　手烟。燃料电池运用能源的方式大幅　高可靠度供电　燃料电池可架构于输配电网络之　上作为备援电力，也可于电力网　之外。在特殊的场合下，模组化的设　置（串联安装几个完全相同的电池组　系统以达到所需的电力）可提供极高　的稳定性。经过适当规划的电池系统　可以达到的９９．９９９９％可靠度，即６年　内的断电时间可少于１分钟。　燃料多样性　现代种类繁多的燃料电池中，虽然　仍以氢气为主要燃料，但配备“燃料转　化器（或译重组器，ｆｕｅｌ　ｒｅｆｏｒｍｅｒ）”　的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃　料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾　掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解　产生的沼气也是燃料的一大来源。　利用自然界的太阳能及风力等可　再生能源提供的电力，可用来将水电　解产生氢气，再供给燃料电池，如此　也可将“水”看成是未经转化的燃　料，实现完全零排放的能源系统。只　要不停地供给燃料给电池，它就可不　断地产生电力。　高效能　由于燃料电池的原理系经由化学　能直接转换为电能，而非产生大量废　气与废热的燃烧作用，现今利用碳氢　燃料的发电系统电能的转换效率可达　４０％～５０９６；直接使用氢气的系统效率　更可超过５０％；发电设施若与燃气涡　轮机并用，则整体效率可超过６０％；　若再将电池排放的废热加以回收利　用，则燃料能量的利用率可超过　８５％。　目前用于车辆的燃料电池其能量　转换率约为传统内燃机的３倍以上，　优于燃油动力机排放大量危害性废气　的方案，其排放物大部份是水份。某　些燃料电池虽然也排放二氧化碳，但　其含量远低于汽油的排放量（约其　１／６）。　燃料电池发电设备产生　１０００Ｋｗ／ｈ的电能，排放的污染性气体　少于ｌ盎斯；而传统燃油发电机则会　产生２５磅重的污染物。因此，燃料电　池不仅可改善空气污染的情况，甚至　可能带给人类未来一片洁净的天空。　可弹性设置／用途广　燃料电池的迷人之处在于其多样　风貌。除了前述的集中分散两相宜的　特点外，它还具有缩放性。利用黄光　微影技术可制作微型化的燃料电池；　利用模组式堆叠配置可将供电量放大　至所欲的输出功率。单一发电元所产　生的电压约为０．７Ｖ，刚好能点亮一只　灯。将发电元予以串接，便构成燃料　电池组，其电压则增加为０．７Ｖ乘以串　联的发电元个数。　燃料电池可供应的电力范围极　广，如１ｗ～１０００ＭＷ，故其应用的产品　领域也很广。　其它优点　燃料电池尚有一些值得强调的特　点：免充电、无火花、低噪音、无废　弃物处理问题、高机动性等。　甓科电池晌鞠　就当前的技术而言，燃料电池科　技仍有一些技术瓶颈待克服，摘列如　下。　燃料电池造价偏高：车用　ＰＥＭＦＣ成本中质子交换隔膜　（ＵＳＤ３００／ｍ　）约占成本的３５％；铂触媒　约占４０％，二者均为高贵材料。　转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯　氢气后，方可供现今的燃料电池利　用。这些设备也要增加燃料电池系统　的投资额。　氢气储存技术：目前ＦＣＶ的氢燃　料是以压缩氢气为主，车体的载运量　因而受限，每次充填量仅约２．５～　３．５ｋｇ，尚不足以满足现今汽车单程　可跑４８０～６５０ｋｍ的续航力。以一２５３℃　保持氢的液态氢系统虽己测试成功，　但却有重大的缺陷：约有１／３的电能　必须用来维持槽体的低温，使氢维持　于液态，且从隙缝蒸发而流失的氢气　约为总存量的５％。　氢燃料基础建设不足：氢气在工　业界虽己使用多年且具经济规模，但　全世界充氢站仅约７０站，仍值示范推　广阶段。此外，加气时间颇长，约需　时５分钟，尚跟不上时代的步伐。　燃料电池手机