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(guò)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(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故沒(méi)有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
燃料電池的原理
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí)，陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)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(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。
燃料電池的組成結(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(chǎng)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(yáng)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(jiǎn)稱SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（簡(jiǎn)稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡(jiǎn)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(jiǎn)稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡(jiǎn)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(shù)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(chǎng)設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。
燃料電池的優(yōu)點(diǎn)
（1）燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒(méi)有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50％。還可回收發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達(dá)到80％。
（2）燃料電池發(fā)電過(guò)程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會(huì)污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料電池的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。
?。?）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?？筛鶕?jù)不同地區(qū)的具體情況，選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，這可廣開(kāi)燃料來(lái)源途徑，緩解能源緊張。
?。?）燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng)，輸電能力回升速度快，并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利，可隨時(shí)補(bǔ)充電網(wǎng)在用電高峰時(shí)所需的部分電能。
（5）燃料電池本身為一個(gè)“組合體”，所用部件可事先在工廠生產(chǎn)，然后組裝；它的體積小，拆裝都很方便，這可節(jié)省建電站的時(shí)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(tǒng)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(shí)，只要?dú)夤薜娜莘e足夠大，耐壓標(biāo)準(zhǔn)足夠高，燃料電池儲(chǔ)滿高壓氫氣一口氣跑500公里以上都不是問(wèn)題；此外，相比于電池車在達(dá)到使用年限后，在眼下還沒(méi)有找到出路的電池回收問(wèn)題，燃料電池技術(shù)卻可以保證整個(gè)系統(tǒng)的回收再利用?！〔贿^(guò)、既然燃料電池有這么多的好處，那為什么沒(méi)有大行其道呢？這其中一定有緣由！
1、現(xiàn)階段燃料電池系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，體積較大
在燃料電池中，質(zhì)子交換膜和基板是燃料電池的兩個(gè)核心組成部分（這兩個(gè)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(gè)部分來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的“電子”，這就意味著燃料電池從開(kāi)始工作到順利生產(chǎn)出“電”來(lái)，中間存在一個(gè)時(shí)間遲滯（目前國(guó)產(chǎn)的燃料電池，可以把這個(gè)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(dòng)車一樣，搭載一塊相對(duì)小一點(diǎn)兒的儲(chǔ)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(duì)貴重金屬（鉑金）的需求較高，且國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)燃料電池兩個(gè)核心組成部分的企業(yè)很少（國(guó)內(nèi)只有山東東岳實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜的關(guān)鍵技術(shù)突破，國(guó)際上有3M和杜邦等公司可以生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)的膜產(chǎn)品），所以從國(guó)際和國(guó)內(nèi)兩個(gè)角度來(lái)講，現(xiàn)階段燃料電池的制造成本降不下來(lái)，直接導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電成本也居高不下。
3、眼下國(guó)內(nèi)缺少適宜乘用車使用的燃料電池技術(shù)
對(duì)燃料電池來(lái)說(shuō)，根據(jù)基板材質(zhì)的不同，可以分為幾個(gè)不同的種類。
碳基復(fù)合板——以碳為主要材質(zhì)做成的基板，此類基板組成的燃料電池（下圖）有穩(wěn)定、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，但由于碳基板相對(duì)較厚（為保證強(qiáng)度），所以相應(yīng)的燃料電池組尺寸也同步增大，這就導(dǎo)致了能量密度的降低，使這類基板組成的燃料電池系統(tǒng)，只能用于一些對(duì)體積要求不高的商用車（客車或貨車）。
金屬?gòu)?fù)合板——以金屬材質(zhì)構(gòu)構(gòu)成的基板，具有強(qiáng)度高，單片薄和低溫啟動(dòng)速度快的特點(diǎn)，這就允許燃料電池組更易實(shí)現(xiàn)輕量化，更高的能量密度（比碳基板提高至少50%）和反應(yīng)速度。但是由于金屬?gòu)?fù)合板在燃料電池的工作環(huán)境中不耐腐蝕，壽命短，發(fā)熱穩(wěn)定性不好，工作時(shí)表面電阻大，所以以金屬?gòu)?fù)合板構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)對(duì)技術(shù)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(fù)合基板和金屬?gòu)?fù)合板燃料電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，但唯獨(dú)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(tǒng)，只能用在不差錢的行業(yè)上，比如驅(qū)動(dòng)一架造價(jià)不菲的無(wú)人機(jī)（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?gòu)?fù)合板，而國(guó)內(nèi)此類燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝、成本控制和性能方面，與這兩個(gè)日系品牌的產(chǎn)品還存在不小的差距，所以目前國(guó)內(nèi)相對(duì)較為成熟的燃料電池系統(tǒng)（碳基復(fù)合板為主），都只能應(yīng)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(guò)車云菌在此次燃料電池會(huì)議上得知，國(guó)內(nèi)像氫鏷這樣在燃料電池領(lǐng)域居于技術(shù)前沿的公司，有望在未來(lái)幾年生產(chǎn)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的金屬?gòu)?fù)合板燃料電池。
4、氫氣的制取和運(yùn)輸都是難題
任何一種能源能被社會(huì)廣泛接受，從人性的層面來(lái)說(shuō)，都是“產(chǎn)業(yè)鏈成本”的勝利，化石燃料能大行其道，是其在勘探、開(kāi)采、提煉、運(yùn)輸、消費(fèi)和使用層面的綜合成本達(dá)到了“業(yè)內(nèi)最低”，因此，想討論燃料電池的可行性，就必須系統(tǒng)性的討論它的系統(tǒng)成本。
雖然燃料電池在使用層面的環(huán)保成本很低，但燃料氫氣的制取卻是橫亙?cè)谖覀冄矍暗囊蛔笊健ｋm然我們可以通過(guò)煤制氫、化工制氫、水電和風(fēng)電制氫這些“邊際辦法”來(lái)獲得一部分氫氣，可一旦燃料電池系統(tǒng)（車）在社會(huì)中的使用量達(dá)到一定量級(jí)，大工業(yè)化制氫是唯一的解決辦法。可一旦我們?yōu)榱藲錃舛茪?，那么相比于化石燃料?lái)說(shuō)，燃料電池產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)成本是不是還具有優(yōu)勢(shì)，我們就不得而知了。
此外，氫氣的運(yùn)輸和保存，是個(gè)必須要認(rèn)真研究的問(wèn)題。就一輛氫燃料電池車來(lái)說(shuō)，眼下我國(guó)對(duì)氫氣罐制定的國(guó)標(biāo)是35兆帕標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)壓力標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料電池組來(lái)說(shuō)并不能幫助后者獲得具有競(jìng)爭(zhēng)力的續(xù)航能力（能量密度），但是更進(jìn)一步的70兆帕國(guó)標(biāo)，目前還是空白。
此外，氫氣是一種非常特別的氣體，第一是因?yàn)樗囊兹夹裕涸诳諝庵校灰獨(dú)錃獾捏w積濃度介于4.1%～74.2%之間，這時(shí)就可能會(huì)發(fā)生爆炸，所以氫氣在運(yùn)輸和加注過(guò)程中，對(duì)泄漏的控制肯定要比汽油嚴(yán)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(hù)。
5、國(guó)內(nèi)燃料電池車的未來(lái)在哪里？
說(shuō)句不大客氣的話，如果沒(méi)有政策補(bǔ)貼存在的話，國(guó)內(nèi)的燃料電池研究和電動(dòng)車研發(fā)，可能都要晚很多年才會(huì)出現(xiàn)。
根據(jù)眼下政策補(bǔ)貼策略和國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)的特點(diǎn)，若干年內(nèi)國(guó)內(nèi)推進(jìn)燃料電池商用車的示范應(yīng)用還是可行的，因?yàn)橐粊?lái)這樣燃料電池汽車的生態(tài)閉環(huán)可以限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)“試運(yùn)行”，政策補(bǔ)貼在這個(gè)小圈子內(nèi)也可以發(fā)揮最大的效果，且預(yù)料之外的特殊情況比較少。
從長(zhǎng)久來(lái)看，燃料電池乘用車產(chǎn)業(yè)，將會(huì)遇到比電動(dòng)車更為直接的“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題——燃料電池車的加氫設(shè)備相比于汽油車的加油設(shè)備和電動(dòng)車的充電樁來(lái)說(shuō)，對(duì)操作人員技術(shù)水平和設(shè)備工藝的要求都高，因此加氫站的運(yùn)營(yíng)商更樂(lè)意看到燃料電池車達(dá)到一定數(shù)量之后才肯投入，而對(duì)于燃料電池車的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，肯定是周圍生活區(qū)域內(nèi)存在可以使用的加氫站之后，才會(huì)考慮買燃料電池車。
因此，想解決這個(gè)“先有站還是先有車”的兩難問(wèn)題，在未來(lái)行政手段和產(chǎn)業(yè)鏈的市場(chǎng)運(yùn)作是必不可少的兩把推手；當(dāng)然，貫穿其中的，必須是越來(lái)越低的燃料電池全產(chǎn)業(yè)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(gè)產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)化石燃料和純電動(dòng)技術(shù)中間，穩(wěn)固住自己的陣地。