燃料電池如何工作?

探索燃料電池的發展並研究不同的系統。

燃料電池是一種電化學裝置，將氫燃料與氧氣結合在一起產生電，熱和水。燃料電池與電池相似之處在於，只要有可用燃料，就會發生電化學反應。氫氣存儲在加壓容器中，氧氣從空氣中吸收。由於沒有燃燒，因此沒有有害排放物，唯一的副產品是純淨水。質子交換膜燃料電池（PEMFC）發出的水是如此純淨，以至於溫哥華的巴拉德動力系統公司的遊客都可以享用由這種純淨水製成的熱茶。

根本上，燃料電池使用兩個被電解質隔開的電極進行反向電解。陽極（負電極）接收氫，陰極（正電極）收集氧。陽極處的催化劑將氫分離為帶正電的氫離子和電子。氫被離子化，並穿過電解質遷移到陰極室，在陰極室與氧氣結合。單個燃料電池在負載下產生0.6–0.8V。為了獲得更高的電壓，幾個電池串聯連接。圖1說明了燃料電池的概念。

圖1：燃料電池的概念。 陽極（負電極）接收氫，陰極（正電極）收集氧。

在將碳燃料轉化為能源方面，燃料電池技術的效率是燃燒的兩倍。氫是最簡單的化學元素（一個質子和一個電子），可以作為燃料使用，而且非常清潔。氫佔宇宙的90％，是地球表面上第三大最豐富的元素。如此豐富的燃料將以相對較低的成本提供幾乎無限的清潔能源庫。但是有一個障礙。

對於大多數燃料，氫與其他物質結合，氣體的「釋放」消耗能量。就淨熱值（NCV）而言，氫氣的生產成本比汽油高。有人說氫幾乎是能量中性的，這意味著產生氫所需的能量與其在最終目的地傳遞的能量一樣多。（看到BU-1007：淨熱值。）

氫的存儲還帶來另一個缺點。加壓氫氣需要重型鋼製儲罐，而NCV的體積比液態石油產品低約24倍。液態的緻密得多，氫氣需要大量的絕緣才能進行冷藏。

氫氣也可以用重整器通過從現有燃料（例如甲醇，丙烷，丁烷或天然氣）中提取來生產。將化石燃料轉化為純氫會釋放一些殘留的碳，但這比汽車尾氣排放的有害氣體少90％。攜帶重整器會增加車輛的重量並增加其成本；改革者也很遲鈍。氫轉化的淨收益是有問題的，因為它不能解決能源問題。

歷史

威爾斯法官和紳士科學家威廉·格羅夫爵士（Sir William Grove）在1839年提出了燃料電池的概念，但這項發明從未成功。這是在內燃機（ICE）的開發過程中取得的成果。直到1960年代，雙子座太空計劃才將燃料電池投入實際使用。NASA首選這種清潔能源，而不是核能或太陽能。選擇的鹼性燃料電池系統為太空人發電並產生了飲用水。

高昂的材料成本使燃料電池無法用於商業用途。燃料電池芯（堆）價格昂貴並且使用壽命有限。在內燃機中燃燒化石燃料是利用能源的最簡單，最有效的方法，但它卻汙染了環境。

高昂的成本並沒有阻止已故的鹼性電池共同發明者卡爾·科德施（Karl Kordesch）在1970年代初將其汽車轉換為鹼性燃料電池。他將氫氣罐安裝在屋頂上，並將燃料電池和備用電池放在行李箱中。據科德施說，有足夠的空間容納四個人和一隻狗。他在美國俄亥俄州開了很多年汽車，但是科爾德施親自告訴我，唯一的問題是汽車沒有通過檢查，因為它沒有尾管。

這是最常見的燃料電池概念。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）

質子交換膜，也稱為PEM，使用聚合物電解質。PEM是最先進且最常用的燃料電池系統之一。它為汽車供電，用作可攜式電源，並提供備用電源代替辦公室中的固定電池。PEM系統允許緊湊的設計，並實現高的能量重量比。另一個優點是在施加氫氣時啟動相對較快。煙囪在80°C（176°F）的中等溫度下運行，效率為50％。（ICE的效率為25％到30％。）

不利的是，PEM燃料電池的製造成本較高，並且水管理系統複雜。煙囪中含有氫氣，氧氣和水，如果幹燥，則必須加水以啟動系統。過多的水會導致洪水泛濫。煙囪需要化學級的氫氣。較低的燃油等級會引起膜的分解和堵塞。鑑於150V的電池組需要250個電池單元，因此測試和修復電池組非常困難。

冷凍水會損壞煙囪，可添加加熱元件以防止結冰。寒冷時啟動很慢，起初性能很差。過熱也可能導致損壞。控制溫度和供應氧氣需要壓縮機，泵和其他附件，它們消耗大約30％的產生的能量。

在車輛中運行PEM燃料電池時，PEMFC電池組的使用壽命估計為2,000–4,000小時。短距離行駛引起的溼潤和乾燥會增加膜應力。連續運行時，固定煙囪的使用壽命約為40,000小時。電池組不會突然消失，但會像電池一樣褪色。更換堆棧是一項主要費用。

鹼性燃料電池（AFC）

鹼性燃料電池已成為航空航天（包括太空梭）的首選技術。製造和運營成本低，尤其是對於堆棧而言。儘管PEM隔板的價格在每平方米800至1100美元之間，但用於鹼性系統的相同材料幾乎可以忽略不計。（用於鉛酸電池的隔板的價格為每平方米5美元。）水的管理很簡單，不需要壓縮機和其他外圍設備。效率在60％的範圍內。不利的是，AFC的物理尺寸大於PEM，並且需要純氧和氫作為燃料。受汙染的城市中存在的二氧化碳量可能使煙囪中毒，這將AFC限制為專門的應用。

 固體氧化物燃料電池（SOFC）

電力公司使用三種類型的燃料電池，分別是熔融碳酸鹽，磷酸和固體氧化物燃料電池。在這些選擇中，固體氧化物（SOFC）是最不發達的，但由於電池材料和電池堆設計方面的突破，固體氧化物（SOFC）受到了新的關注。新一代陶瓷材料不是在800–1,000°C（1,472–1,832°F）的極高工作溫度下工作，而是將磁芯的溫度降低到了更易於管理的500–600°C（932–1,112°F）。 。這允許使用常規的不鏽鋼而不是昂貴的陶瓷作為輔助部件。

高溫允許通過催化重整過程從天然氣中直接提取氫氣。一氧化碳是PEM的汙染物，是SOFC的燃料。無需指定的重整器就可以接受碳基燃料並實現高效率，對這類燃料電池具有重大優勢。通過利用熱量副產物運行蒸汽發生器進行熱電聯產，將SOFC效率提高到60％，是燃料電池中最高的效率之一。不利的是，較高的堆垛溫度需要用於芯子的奇特材料，從而增加了製造成本並降低了使用壽命。

 直接甲醇燃料電池（DMFC）

可攜式燃料電池引起了人們的關注，最有希望的發展是直接甲醇 燃料電池。這種小型裝置製造便宜，使用方便且不需要加壓氫氣。DMFC具有良好的電化學性能，可通過注入液體或更換墨盒來重新填充。這樣可以連續運行而不會停機。

製造商承認，用燃料電池直接更換電池已有數年之遙。為了彌合差距，微型燃料電池充當充電器，為車載電池提供連續運行。此外，甲醇是有毒和易燃的，並且乘客可以在飛機上攜帶多少燃料受到限制。2008年，運輸部發布了一項裁定，允許乘客和機組人員攜帶已批准的燃料電池，其中裝有已安裝的甲醇盒以及最多兩個另外的200毫升（6.76盎司）備用盒。該規定尚未擴展到瓶裝氫氣。

圖2顯示了東芝的微型燃料電池，圖3顯示了純度為99.5％的甲醇加油。

圖3：具有加油盒的東芝燃料電池。10毫升油箱中的燃料為99.5％的純甲醇。

東芝正在進行改進，並推出了可產生20至100瓦功率的筆記本電腦和其他應用的原型燃料電池。單位緊湊，比能量可與鎳鎘電池媲美。同時，松下聲稱以類似的尺寸將功率輸出提高了一倍，如果燃料電池每天間歇使用8小時，則日曆壽命為5,000小時。這些燃料電池的低壽命是一個不容忽視的問題。

人們正在嘗試使用儲存氫的小型燃料電池。提高效率和減小尺寸是純氫優於甲醇的優勢。這些微型系統沒有泵和風扇，並且完全安靜。據說21cc的墨盒可提供約10 AA鹼性電池的等效能量，加油時間為20小時。這使它適合單車騎行者的可攜式計算，無線通信和手電筒。

軍事和娛樂用戶也在嘗試使用微型燃料電池。圖4說明了由SFC Smart Fuel Cell製造的可攜式燃料電池。EFOY燃料電池具有不同的容量，容量範圍為600至2160瓦時。

圖4：面向消費市場的可攜式燃料電池。

燃料電池將氫氣和氧氣轉化為電能，而純淨水是唯一的副產品。燃料電池可以在室內用作發電機。

表5描述了應用，並總結了普通燃料電池的優點和局限性。該表還包括熔融碳酸鹽（MCFC）和磷酸（PAFC），這是已經存在了一段時間並且具有獨特優勢的經典燃料電池系統。

事態發展

局限性包括啟動時間慢，功率輸出低，對功率需求的響應緩慢，負載能力差，功率帶寬窄，使用壽命短和成本高。與電池類似，所有燃料電池的性能會隨著時間的流逝而降低，並且電池組的效率逐漸下降。對於ICE，這種性能損失要小得多。

低於1kW的燃料電池通常是無壓的，僅使用風扇來輔助氧氣供應。高於1kW的燃料電池被加壓，並包括降低效率的壓縮機，並且系統可能會產生很大的噪音。燃料電池的相對較高的內部電阻提出了進一步的挑戰。電池堆中的每個電池在開路時產生約1伏的電壓。重負載會導致明顯的電壓降。與電池相似，功率帶寬會隨著時間的流逝而降低。還已知堆中的單個電池會引起故障，並且汙染物是主要的貢獻者。圖6說明了電壓和功率帶寬隨負載變化的情況。

圖6：可攜式燃料電池的功率帶 高內阻會導致電池電壓 隨負載迅速下降。功率帶限制在300至800mA之間。

燃料電池在30％的負載係數下運行效果最佳；較高的負載會降低效率。這種不良的節氣門響應使燃料電池進入支持模式或充電器，以保持電池充電。正如開發人員所希望的那樣，獨立電源尚未實現。

燃料電池的悖論

1990年代，科學家和股票發起人設想了一個依靠清潔，取之不盡，用之不竭的資源-氫，燃料電池的使用達到了頂峰。他們預測，汽車將依靠燃料電池行駛，燃料電池也將產生家庭電力。股票價格飛漲，但邊際績效，高製造成本和有限的使用壽命減輕了氫夢。

據說燃料電池將像微處理器在1970年代所做的那樣改變世界。清潔，取之不盡用之不竭的能源將可以解決燃燒化石燃料的環境問題。從1999年到2001年，有2,000多個組織積極參與了燃料電池的開發，北美四家最大的公共燃料電池公司籌集了超過10億美元的股票。什麼地方出了錯？

氫本身並不是能源，而是一種類似於電池充電的電能那樣的運輸和儲存能量的介質。要設想「燃燒無限量的氫」，首先必須生產燃料，因為氫不可能像油一樣從地球上泵出來。雖然化石燃料非常適合產生氫氣，但當這種昂貴的燃料提取或直接燃燒所需的成本更高或更多時，利用這種有價值的燃料釋放氫就沒有多大意義。唯一的好處是減少了溫室氣體。

就像在1800年代中期嘗試用蒸汽飛行飛機失敗一樣，可以想像燃料電池將永遠不會成為科學家所希望的動力。但是，日本對汽車領域重新產生了興趣。燃料電池可以代替辦公樓中的電池組和柴油發電機，因為它們可以安裝在狹窄的存儲空間中，維護成本最低，並且不需要排氣。燃料電池可讓叉車在倉庫中連續且無汙染地運行，而40M燃料電池可在偏遠地區產生清潔電力。最終的夢想是用清潔燃料電池推動車輛行駛。

燃料電池有一天可能會配備電動輪轂馬達的計程車飛機。通過不運行噴氣發動機，這將降低汙染並節省多達4％的燃料。燃料電池在給電池充電時產生的水可以用作車載飲用水；再生制動可以進一步幫助為電池和超級電容器充電，以實現快速充電。最終的夢想是用清潔燃料電池推動飛機和車輛。

氫燃料電池或鋰離子電池

綠色汽車通常由鋰離子電池而非燃料電池供電。原因如下：

通過太陽能或風從水中電解產生的氫氣效率約為70％。氫氣被壓縮到儲罐中，效率係數約為90％。運行實際的燃料電池的效率約為55％。乘以這些損失，最終效率約為35％。

將能量直接存儲到鋰離子電池中的效率約為95％。通過電線到使用點的電蒸騰比在地面上運輸儲罐更具成本效益。隨著每英裡100美元/千瓦時的百萬英裡電池的問世，鋰離子電池已成為一種有吸引力的交通儲能系統。