燃料電池
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燃料電池（Fuel cell）是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應[1] ，把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。最常見的燃料為氫，其他燃料來源來自於任何的能分解出氫氣的碳氫化合物，例如天然氣、醇、和甲烷等。燃料電池有別於原電池，優點在於透過穩定供應氧和燃料來源，即可持續不間斷的提供穩定電力，直至燃料耗盡，不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，也因此透過電堆串連後，甚至成為發電量百萬瓦(MW)級的發電廠。
1839年，英國物理學家威廉•葛洛夫|William Robert Grove製作了首個燃料電池。而燃料電池的首次應用就在美國太空總署1960年代的太空任務當中，為探測器、人造衛星和太空艙提供電力。從此以後，燃料電池就開始被廣泛使用在工業、住屋、交通等方面，作為基本或後備供電裝置。
現今生活中存在多種燃料電池，但它們運作原理基本上大致相同，必定包含一個陽極，一個陰極以及讓電荷通過電池兩極的電解質。電子由陽極傳至陰極產生直流電，形成完整的電路。各種燃料電池是基於使用不同的電解質以及電池大小而分類的，因此電池種類變得更多元化，用途亦更廣泛。由於以個體燃料電池計，單一顆電池只能輸出相對較小的電壓，大約0.7V，所以燃料電池多以串連或一組的方式製造，以增加電壓，配合應用需求。
另一方面，燃料電池產電後會產生水與熱，基於使用不同的燃料，有可能產生極少量二氧化碳和其他物質，對環境的污染比原電池及化石燃料發電廠少，是一種綠色能源。燃料電池的能量效率通常為40-60％之間；如果廢熱被捕獲使用，其熱電聯產的能量效率可高達85％。
燃料電池的市場正在增長，據派克研究公司（Pike Research）估計，到2020年固定式燃料電池市場規模將達到50 GW。
目錄
類型和設計
燃料電池有多種類型，但是它們都有相同的工作模式。它們主要由三個相鄰區段組成：陽極、電解質和陰極。兩個化學反應發生在三個不同區段的介面之間。兩種反應的淨結果是燃料的消耗、水或二氧化碳的產生，和電流的產生，而生成的電流可以直接用於電力設備，即通常所稱的負載。
在陽極上，催化劑將燃料（通常是氫氣）氧化，使燃料變成一個正電荷的離子和一個負電荷的電子。電解液經專門設計使得離子可以通過，而電子則無法通過。被釋放的電子穿過一條電線，因而產生電流。離子通過電解液前往陰極。一旦達到陰極，離子與電子團聚，兩者與第三化學品（通常為氧氣）一起反應，而產生水或二氧化碳。
在燃料電池中較重要的設計特徵是：
- 電解質材料。電解質材料通常決定了燃料電池的類型。
- 使用的燃料。最常見的燃料是氫氣。
- 陽極催化劑，用來將燃料分解成電子和離子。陽極催化劑通常由極細的鉑粉製成。
- 陰極催化劑，用來將離子轉換成像水或二氧化碳的廢棄化學物質。陰極催化劑通常由鎳製成，但也有納米材料催化劑。
典型的燃料電池在全額負載下可產生0.6 V至0.7 V的電壓。導致隨電流上升，電壓下降的幾個原因如下：
- 過電位
- 歐姆損耗（因電池元件和接連的阻抗而導致壓降）
- 大規模傳輸損耗（在高負載下，催化劑端的反應物損耗造成電壓的快速下降）
為了提供所需要的能量，可以將組合多個燃料電池進行串聯以產生較高電壓，或並聯供應較大電流。這種設計被稱為「燃料電池堆疊」。就個別電池而言，可以增加其表面積以獲得較大電流。在堆疊中，反應物氣體應均勻分佈於所有電池，以獲得最大的功率輸出。
質子交換膜燃料電池（PEMFC）
原型的質子交換膜燃料電池的設計、質子導電聚合物膜（電解質）的分隔主要在陽極和陰極雙方。這也被稱為固態聚合物電解質燃料電池（solid polymer electrolyte fuel cell, SPEFC），這是因為在1970年代初之前的質子交換機制尚未被完全理解。（注意：同義字「聚合物電解質膜」和「質子交換機制」有相同的英文字母縮寫。）
陽極一邊的氫流到陽極催化劑，並分離成質子和電子，運作溫度約80-100℃。這些質子與氧化劑產生反應導致他們成為通常所指的多元促進質子膜。質子，透過膜到陰極，但電子被迫旅遊（為提供電源）到外部電路因為電絕緣膜。陰極催化劑，氧分子與（其中有遊歷通過外部電路）電子和質子發生反應形成水；而在此示例中，唯一的廢物產品，液體或蒸氣。
除了這種純氫氣類型，還有烴類燃料的燃料電池，包括柴油、甲醇（請參閱：直接甲醇燃料電池和非直接甲醇燃料電池）和化學氫化物。這些類型燃料的廢棄產品是二氧化碳和水。
質子交換膜燃料的不同組成部分是雙極板、電極、催化劑、膜和有必要的硬體。用於燃料電池的不同部分的材料類型不同。雙極板可以不同類型的材料製造，如金屬、表面包覆的金屬、石墨、柔性石墨C–C複合，carbon–polymer複合材料等。膜電極元件（多邊環境協定MEA），被稱為心的質子交換膜燃料和通常使夾在兩個催化劑塗層碳論文的質子交換膜。貴金屬元素鉑或類似類型通常作為催化劑在PEMFC中使用。另外，電解液可以是一種高分子膜。
質子交換膜燃料電池的議題
- 價格。美國能源部的報告說，在2011年，80-kW的車用燃料電池系統的成本在量產（預計到每年50萬台）中的價格是每千瓦USD|49。目標價格是每千瓦USD |35。約20年期間相比的斜坡那樣成本降低是必要的，以使質子交換膜燃料電池可與目前市場上的技術競爭，包括汽油內燃機。
- 水和空氣的管理（在PEMFC電池）。在這種類型的燃料電池，膜必須是水化的，需要以它產生的水的完全相同的速率來蒸發掉水。
- 溫度的管理。
- 某些種類的電池要求的持續性，service life|服務壽命或者特殊要求。
- 一些（非-PEDOT）陰極只有有限的一氧化碳容忍能力。
高溫燃料電池
固體氧化物燃料電池（SOFC）
固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，縮寫：SOFC）由用氧化釔穩定氧化鋯（YSZ，<15μm）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成。空氣中的氧在空氣極/電解質界面被還原形成氧離子，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質中向燃料極側移動，在燃料極電解質界面和燃料中的氫或一氧化碳的中間氧化產物反應，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過外部迴路，再次返回空氣極，此時產生電能。由於電池本體的構成材料全部是固體，可以不必像其他燃料電池那樣製造成平面形狀，而是常常製造成圓筒型。
SOFC的特點如下：
- 由於是高溫運作（800-1000℃），通過設置底面循環，可以獲得超過60%效率的高效發電，使用壽命預期可以超過40000~80000小時。
- 由於氧離子是在電解質中移動，所以也可以用CO、天然氣、煤氣化的氣體作為燃料。
SOFC系統的化學反應可以表達如下：
- 陽極反應：2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−
- 陰極反應：O2 + 4e– → 2O2−
- 整體電池反應：2H2 + O2 → 2H2O
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）
熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，縮寫：MCFC）要求650°C（1,200°F）高溫，類似於SOFC。MCFC以熔融鹼金屬碳酸鹽作電解質，並在高溫下，這種鹽變為熔化態允許電荷（負碳酸根離子）的在電池中移動。
用於熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）系統中的化學反應可表示如下：
- 陽極反應：CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e−
- 陰極反應：CO2 + ½O2 + 2e− → CO32−
- 整體反應：H2 + ½O2 → H2O
如同固體氧化物燃料電池（SOFC），熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）的缺點包括緩慢的啟動時間，是因為它們的運行溫度高。這使熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）系統不適合移動應用，而這項技術將最有可能被用於固定式燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池技術的主要挑戰是電池的壽命短。高溫和碳酸鹽電解質導致在陽極和陰極的腐蝕。這些因素加速MCFC元件的分解，從而降低耐久性和電池壽命。研究人員正在通過探索耐腐蝕材料部件，以及可以增加電池壽命而不降低性能的燃料電池的設計，來解決這個問題。
鹼性燃料電池（AFC）
鹼性燃料電池（alkaline fuel cell, AFC）是一種燃料電池，由法蘭西斯•湯瑪士•培根（Francis Thomas Bacon）所發明，以碳為電極，並使用氫氧化鉀為電解質，操作溫度約為攝氏100~250度（最新的鹼性燃料電池操作溫度約為攝氏23~70度）。NASA早在1960年時便開始將它運用在航天飛機及人造衛星上，包括著名的阿波羅計劃也使用這種燃料電池。AFC的電能轉換效率為所有燃料電池中最高的，最高可達70%。
應用
目前主流發展的應用產品，依據燃料電池發電量歸類，可分為定置型發電機、運輸工具、可攜式電源系統三大類。
定置型發電機
電力
固定燃料電池被用於商業、工業及住宅主要和備用電力。燃料電池能有效提供郊區電力，為分散式發電，如航天器、遠端氣象站、大型公園、通訊中心、農村處，包括研究站和某些軍事應用非常重要。運行簡單且輕量的氫-氧燃料電池系統，沒有重大的部件需要移動。由於燃料電池沒有移動部件，而且發電不涉及燃燒，在理想的情況他們可以實現起來，具99.9999%的可靠性。相當於六年產電運行其當中有不多於一分鐘的停機時間。因為燃料電池的電解槽系統本身，不存儲燃料，而是依賴於外部存儲單元，他們可以成功應用在大型能源存儲中，設置農村地區是一個例子。
有許多不同類型的固定式燃料電池，所以效率而異，但多數40%至60%的能源效率。然而，當燃料電池餘熱用於熱電聯產系統中熱建築時這種效率可以增加到85%。這是明顯比傳統的煤電廠，是只有約三分之一的能源效益效率更高。假設在規模、生產燃料電池可以節省20-40%的能源成本，當用於熱電聯產系統時，燃料電池也比傳統發電更乾淨，因為氫源每個將產出1,000千瓦小時（kWh）能量。同時，相比25磅的常規燃燒系統產生的污染物，燃料電池比常規燃煤電廠產生的氮氧化物排放量少97%。
現時，可口可樂、谷歌、沃爾瑪、思科、宜家、雀巢、日產、金百利和更多國際企業安裝或轉了燃料電池，以抒緩他們的能源需求，可見燃料電池的發電效率及環保性在國際上得到認同。另有一個試點方案在華盛頓州的斯圖爾特島上操作，那裡斯圖爾特島能源倡議建立了一個完整的閉環系統：太陽能電池板電源電解槽使得氫存儲在200磅 / 平方英寸（1,400 kPa）壓力的500美制加侖（1,900 L）儲存搭中，並運行ReliOn燃料電池來提供離網住宅的全電動後備。而在紐約州亨普斯特德，有另一個封閉的系統迴圈2011年底公佈發展。
熱電聯產（CHP）
熱電聯產（CHP）燃料電池系統，包括微型熱電聯產（MicroCHP）系統的使用，為家庭，辦公樓和工廠同時產生電能和熱能（見家用燃料電池|home fuel cell）。系統生成恆定電力（出售把沒有被消耗的多餘的電力返回到電網），並在同一時間從餘熱中產生熱空氣和熱水。MicroCHP通常小於5 KWe給家用燃料電池|home fuel cell或小型企業。 燃料電池餘熱可以在夏季直接注入地下提供進一步冷卻餘熱，而在冬季可以直接注入建築物。明尼蘇達大學擁有對這種類型系統的專利權。
熱電聯產系統可以達到85%的效率（40-60%是電 +其餘是熱）。磷酸燃料電池（PAFC）構成了在現有CHP中在全球的最大部分，和可以提供接近90%的聯合效率。熔融碳酸鹽（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）也用於供熱和發電的聯產，並有電氣能源約60%的效率。熱電聯產系統的缺點包括緩慢的斜坡向上和向下速率，成本高，壽命短。它們另外需要有一個貯熱水箱來平滑產熱的地方，這在家庭用市場是非常不利的地位，因為空間對於住宅物業是一個很大的溢價。
運輸工具
燃料電池車（FCEVs）
在2013年之前沒有可供商業銷售的燃料電池車，自2009年以來已發布超過了20類型的燃料電池汽車（FCEVs）的原型和示範車。示範車型包括本田的FCHV-ADV|FCX Clarity，豐田的FCHV-ADV|FCHV-ADV，梅賽德斯-奔馳的F-CELL|F-CELL。在2011年6月的示範FCEVs行駛超過了4,800,000公里（3,000,000英里）的里程，重新加注燃料超過27,000次。示範燃料電池車已經能夠「在重新加燃料之間的續駛里程超過400公里（250英里）」。它們可以在小於5分鐘的時間內完成重新加燃料。
2014年，南韓現代汽車開始在加州以租賃方式提供燃料電池車 Hyundai ix35 FCEV，一般消費者購買則要到2015年10月豐田Mirai從美國上市，到2016年6月時已經在美國、英國、丹麥、挪威、比利時等地販售。
儘管燃料電池車目前已上市，一些專家認為燃料電池汽車將永遠不會成為與其他技術相比具經濟競爭力，或將需要幾十年來讓它們變得有利可圖。在2011年7月，通用汽車CEO和總裁Daniel Akerson表示，儘管氫燃料電池車的成本正在下降："氫燃料電池汽車仍然是太貴了，它可能並不實際直到2020年以後，我不知道"。
巴士
在世界上今天有超過100部燃料電池巴士運行。大部分燃料電池巴士是由UTC Power|UTC Power, 豐田（Toyota）, Ballard|Ballard，Hydrogenics|Hydrogenics和Proton Motor|Proton Motor等公司生產。UTC巴士已經積累了超過600000|mi|km的行駛距離。燃料電池巴士比柴油和天然氣巴士的燃料經濟性要高出39–141%。
燃料電池巴士已經部署在世界各地：加拿大Whistler;美國舊金山;德國漢堡;中國上海;英國倫敦;巴西聖保羅;和其他地方。Fuel Cell Bus Club|燃料電池巴士俱樂部是一個全球性的合作努力，在試驗的燃料電池公共汽車。有影響的項目包括：
- 12燃料電池巴士部署加州的Oakland和舊金山灣區。
- 在2007年一月，Daimler AG，36部Ballard Power Systems的燃料電池巴士實驗巴士已經成功完成了一個在11個城市的三年的試運行。
- 在加州的Thor巴士車隊使用了UTC Power|UTC Power燃料電池，由SunLine Transit Agency交通公司運行。
叉車（堆高機）
燃料電池為動力的叉車是燃料電池在工業應用內最大的部門之一。用於材料搬運的大多數燃料電池是質子交換膜燃料電池提供動力，但也有一些直接甲醇燃料叉車進入市場。目前正在運營的燃料電池車隊有大量的公司，包括西斯科食品，聯邦快遞貨運，GENCO（Wegmans的，可口可樂，金佰利，和Whole Foods），和H-E-B雜貨店的。
摩托車和單車類
在2005年，英國的智能能源公司生產的第一個氫氣運行摩托車ENV（中性排放車）。摩托車有足夠運行4小時的燃料，並且以50|mph|km/h的速度在市區行駛了100英里（160 km）。在2004年本田利用本田燃料電池堆開發了一種燃料電池摩托車。還有其他幾個單車例子使用了氫氣燃料電池引擎。
在2007年中國上海，Pearl hydrogen power source technology Co., ltd公司展示了氫自行車，在第9屆中國國際燃油技術裝備和應用展示會。
飛機
在2008年2月，波音公司的研究人員和在歐洲產業合作夥伴進行的飛行試驗，試飛了由燃料電池和輕型電池供電的載人飛機。這架所謂燃料電池演示者（Fuel Cell Demonstrator）飛機，使用了質子交換膜（PEM）的燃料電池/鋰離子電池的混合動力系統的電動馬達，電動馬達被耦合到常規的螺旋槳。2003年，世界上第一個完全由燃料電池供電的螺旋槳驅動的飛機飛行。它的燃料電池是一個獨特的FlatStackTM的堆棧的設計，這允許所述燃料電池被集成在空氣動力學表面之下。
現在已經有了幾個燃料電池為動力的無人飛行器（UAV）。在2007年，一個Horizen燃料電池的小型無人機，創下無人機飛行距離的記錄。軍事上特別感興趣這種應用，原因是它是低噪音，低散熱，可以飛到高海拔。2009年，美國海軍研究實驗室（NRL）的離子虎（Ion Tiger）利用氫為動力的燃料電池，飛行了23小時17分鐘。波音公司正在完成試驗的幽靈之眼（Phantom Eye），具有高空長航時（HALE），可用于飛行在65,000|ft|m並有多達4天的時間進行研究和監測。燃料電池也被用來提供飛機的輔助動力，以取代化石燃料發電機，和以前用於啟動發動機和飛機上電器的電力需求。燃料電池可以幫助飛機減少二氧化碳CO2和其他污染物的排放和噪音。
船隻
世界上第一個燃料電池船HYDRA使用了鹼性燃料電池（AFC）系統，用6.5-kw的輸出。冰島一直致力於到2015年將其龐大的捕魚船隊使用的燃料電池提供輔助動力，並最終提供船上的主要動力。阿姆斯特丹最近推出了其第一個燃料電池為動力的船，提供給市內周圍觀賞著名的和美麗的運河的遊客。
台灣目前在日月潭亦有燃料電池客船「希望之星號」，為台灣燃料電池系統製造商「錫力科技」(YC synergy)所設計之燃料電池與鋰電池混合動力系統，2014年11月15日正式完工並經過下水測試，採用質子交換膜(PEM)燃料電池技術，具備快速啟動、低溫工作(僅約80°C)、長壽命以及適合多次連續啟停操作等優點。
潛艇
不依賴空氣推進（AIP）潛艇可以使用燃料電池為動力。
德國和意大利海軍的212型潛艇所使用的燃料電池可連續下潛幾星期而不需要浮出水面。
U212A是一個非核動力的潛艇，由德國海軍造船廠Howaldtswerke船廠開發的。該系統由9個質子交換膜燃料電池，每個可以提供30-kW和50-kW之間。潛艇的靜音給它探測其他潛艇的一個優勢。
可攜式電源系統
使用燃料電池便攜電源系統可以在生活領域中使用（即電子產品，露營車，小木屋，海上），在工業領域中（即為偏遠地區提供電力，包括氣/油井場，通信塔，安全，氣象站等）使用，和在軍事領域中使用。
相關應用
加氫站
在2010年，在美國有超過85個加氫站|Hydrogen station。
截至2012年6月，加州有23個加氫站運行。 在冰島，第一個公共加氫站|Hydrogen station在雷克雅未克市開放於2003年。這個加氫站服務戴姆勒 - 克萊斯勒公司建造的三個巴士，服務於雷克雅未克市公共交通網。
目前，德國在全國範圍內有14個加氫站|Hydrogen station並計劃到2015年擴大到50個，通過其公私合作夥伴關係現在的GMBH公司。日本也有氫能高速公路|Hydrogen highway，是作為日本氫燃料電池項目的一部分。十二個氫燃料站已在11個日本城市建成，並且到2015年將有額外的加氫站|Hydrogen station可能運行。加拿大，瑞典和挪威也有氫高速公路正在實施。
市場和經濟
2012年，燃料電池在全世界市值超過10億美元，並且亞太國家運送超過3/4的燃料電池系統到世界各地。然而，截至2013年10月，還沒有在此行業中的上市公司能實現盈利。在2010年，燃料電池堆的全球出貨量有140000單位，相較在2007年僅有11000單位的出貨量，並且2011年至2012年的全球燃料電池的出貨量有85％的年增長速度。
在2010年，燃料電池的出貨量大約50％的固定式燃料電池，在2009年的出貨量約為三分之一，並且燃料電池產業的四個主要生產國仍然是美國，德國，日本和韓國。能源部的固態能量轉換聯盟發現，截至2011年1月，固定式燃料電池產生的電力裝機約每千瓦時724美元775美元。2011年，布盧姆能源（Bloom Energy），一個主要的燃料電池供應商表示，其燃料電池發電每千瓦時9-11美分，其中包括燃料，維護和硬件的價格。
歷史
燃料電池的原理由德國化學家克里斯提安•弗里德里希•尚班於1838年提出，並刊登在當時著名的科學雜誌。基於尚班的理論，英國物理學家威廉‧葛洛夫|William Robert Grove於1839年2月把理論證明刊登於《科學的哲學雜誌與期刊》（Philosophical Magazine and Journal of Science），其後又把燃料電池設計草圖於1842年刊登。當時的設計類似現今的磷酸燃料電池|Phosphoric acid fuel cell。
1955年，一位為通用電氣工作的化學研究員W•湯馬斯•葛盧布（W. Thomas Grubb），進一步設計以磺化聚苯乙烯離子交換膜作電解質，改革原始燃料電池。三年後，通用電氣的另一位化學研究員李奧納德•尼德拉克（Leonard Niedrach），想出了將鉑沉積在膜上面，鉑是氫氣進行氧化反應和氧氣進行還原反應必需的催化劑，成為「Grubb-Niedrach燃料電池」。
隨即通用電氣就和美國太空總署及麥克唐納飛行器公司共同發展這個技術，應用於雙子星計畫，這是燃料電池的第一個商業上的應用。直到1959年，英國的工程師法蘭西斯•湯瑪士•培根|Francis Thomas Bacon和它的同事們才成功地展示出第一具輸出功率達5千瓦的實用級燃料電池系統。同年，一個由哈利•伊律格（Harry Ihrig）領導的團隊也製造出以15千瓦功率的燃料電池驅動的牽引車。1960年，普惠公司獲得培根專利的許可，將燃料電池當作太空計畫中電力和水的來源。在1991年，羅傑‧比林期（Roger Billings）發展出世界首個用於汽車的氫燃料電池。
美國聯合技術公司的UTC動力|UTC Power部門是第一個製造商用、大型固定燃料電池的公司，其產品可當做醫院、大學、大型辦公大樓的動力來源，UTC動力持續也在市場上推出功率達200千瓦燃料電池-PureCell 200，現被400千瓦取代-PureCell Model 400。UTC動力也是美國太空總署在進行太空探索方面唯一的燃料電池供應者，曾將其燃料電池應用於太陽神計畫和最近的太空梭計畫|Space Shuttle program，而且也往汽車、公共巴士、手機等方面發展，該公司也展示了第一個質子交換膜的燃料電池汽車，在酷寒的狀態下仍能適用。
在1960年代幾次的太空任務中，燃料電池被用於驅動登月探險車及供應太空人飲用水，均證明了它的實用性。近年來，因為化石燃料造成的能源危機與環保意識的抬頭，令燃料電池的發展日趨興旺。