燃料電池

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直接甲醇燃料電池示範圖,燃料電池組的層狀結構(中心立方體)
質子傳導燃料電池的示意圖
最早提出燃料電池的科學家尚班(Christian Friedrich SchÖnbein)的照片

燃料電池英語Fuel cell)是一種主要透過或其他氧化劑進行氧化還原反應,把燃料中的化學能轉換成電能的電池。而最常見的燃料為 [1] ,一些碳氫化合物例如天然氣、和甲烷等有時亦會作燃料使用。燃料電池有別於原電池,因為需要穏定的燃料來源,以確保其運作供電。這種電池的優點是可以不間斷的提供穩定電力,直至燃料耗盡。

1839年,英國物理學家威廉·葛洛夫英語William Robert Grove製作了首個燃料電池。而首次燃料電池的應用就在美國國家航空暨太空總署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,一個陰極以及電解質電荷通過電池兩極。電子由陽極傳至陰極產生直流電,形成完整電路。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分式製造,以增加電壓,配合應用需求[2]

另一方面,燃料電池產電後會產生,基於不同的燃料使用,有可能產生極少量二氧化氮和其他物質,對環境的污染比原電池少,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,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。[3]

歷史[編輯]

威廉‧葛洛夫1839年電池草圖

燃料電池的原理由德國化學家克里斯提安·弗里德里希·尚班英語Christian Friedrich SchÖnbein於1838年提出,並刊登在當時著名的科學雜誌[4]。基於尚班的理論,英國物理學家威廉‧葛洛夫英語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)[5],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英語Phosphoric acid fuel cell[6]

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),想出了將沉積在膜上面,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國家航空暨太空總署麥克唐納飛行器公司空發展這個技術,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·培根英語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[7]

美國聯合技術公司UTC動力英語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 [8]。UTC動力也是美國國家航空暨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 [9]和最近的太空梭計畫英語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環保意識的抬頭,令燃料電池的發展日趨興旺。

類型和設計[編輯]

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,可以直接用於電力設備,通常稱為負載。

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。電解液是專門設計過的,所以離子可以通過它,而電子則不能。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。

燃料電池示意圖

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。最常見的燃料是氣,其主要成分為H2, 和天然氣,其主要成分是甲烷CH4),等燃料。
  • 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。陰極催化劑通常由製成,但也有奈米材料催化劑。

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。以下是導致電流上升而電壓下降的幾個原因:

  • 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)[10]

為了提供所需要的能量,可以將組合多個燃料電池於串聯並聯電路中以產生較高電壓,而平行配置則可供應較大電流。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)[編輯]

原型的質子交換膜燃料電池的[11] 效率前緣英語Efficient frontier[12]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。)

構建高溫的質子交換膜燃料電池(PEMFC): Bipolar plate as electrode with in-milled gas channel structure, fabricated from conductive composites (enhanced with graphite, carbon black, carbon fiber, and/or carbon nanotubes for more conductivity);[13] Porous carbon papers; reactive layer, usually on the polymer membrane applied; polymer membrane.
由質子交換膜燃料電池(PEMFC)的空氣通道壁產生的冷凝水。電池周圍的金線確保電流的匯集。[14]

陽極一邊的流到陽極催化劑,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;而在此示例中,唯一的廢物產品,液體蒸氣

除了這種純氫氣類型,還有類燃料的燃料電池,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[編輯]

  • 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49美元[15] 目標價格是每千瓦35美元。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。[16]
  • 水和空氣的管理[17](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,服務壽命英語service life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[編輯]

固體氧化物燃料電池 (SOFC)[編輯]

固體氧化物燃料電池(英語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,可以不必象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。[18]

SOFC系統的化學反應可以表達如下:[19]

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)[編輯]

熔融碳酸鹽燃料電池(英語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。[20]

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:[21]

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。[18]

鹼性燃料電池 (AFC)[編輯]

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太空梭人造衛星上, 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%。

4種主要燃料電池的比較[編輯]

從21世紀初到現在,4種主要燃料電池的研究開發進展比較如下:[22]

4方式的比較
PEFC
固體高分子
PAFC
磷酸
MCFC
溶融碳酸鹽
SOFC
固體氧化物


電解質材料 交換膜 磷酸鹽 碳酸鋰,碳酸鈉,碳酸 比如穩定氧化鋯
移動離子 H+ H+ CO32- O2-
使用模式 在基質中浸漬 在基質中浸漬、或粘貼 薄膜、薄板

催化劑
陽極 H2→2H++2e- H2→2H++2e- H2+CO32-→H2O+CO2+2e- H2+O2-→H2O+2e-
陰極 \tfrac{1}{2}O2+2H++2e-→H2O \tfrac{1}{2}O2+2H++2e-→H2O \tfrac{1}{2}O2+CO2+2e-→CO32- \tfrac{1}{2}O2+2e-→O2-
運行溫度(℃) 80-100 190-200 600-700 700-1,000
燃料 氫、一氧化碳 氫、一氧化碳
發電效率(%) 30-40 40-45 50-65 50-70
設想發電能力 數W-數十kW 100-數百kW 250kW-數MW 數kW-數十MW
設想用途 手機、家庭電源、汽車 發電 發電 家庭電源、發電
開發狀況 家庭用實用化、汽車2015年預計實用化 廢水處理廠、醫院、應急電源 家庭用實用化、大型定製在開發中

領先的燃料電池類型的效率[編輯]

Chart of Different Fuel Cell Types
領先種類燃料電池的效率

燃料電池技術中的術語:

  • 陽極(Anode): 發生氧化(電子的損失)的電極。對於燃料電池和其他原電池中,陽極是負極端子; 而在電解池(其中電解發生時),陽極是正極端子。[23]
  • 水溶液(Aqueous Solution): a: 和水有關的 b : 水組成的.[24]
  • 催化劑(Catalyst): 一種化學物質,可以提高反應速度沒有被消耗 ;在反應之後,它可能可以從反應混合物中恢復,在化學上不變。催化劑可以降低活化能所需能量,允許更快地或在較低的溫度進行的反應。在燃料電池、催化劑促進氧和氫的反應。它通常是由鉑粉很薄塗到碳紙或布。催化劑是粗糙和多孔因此鉑的最大表面面積可以接觸到的氫或氧。催化劑的鉑鍍在面朝在燃料電池中的膜。[23]
  • 陰極:(cathode): 發生還原(電子的獲得)的電極。用於燃料電池和其它原電池中,陰極是正極端子; 對於電解池(其中發生電解),陰極是負端。[23]
  • 電解質(electrolyte): 該物質傳導帶電離子從一個電極到另一個電極,在燃料電池、電池或電解槽中。[23]
  • 燃料電池堆(Feul Cell Stack): 單獨燃料電池串聯,以增加電壓。[23]

欲了解更多信息,請參閱燃料電池術語表英語Glossary of fuel cell terms

應用[編輯]

212型潛艇與燃料電池推進的德國海軍的干船塢

電力[編輯]

固定燃料電池被用於商業、 工業及住宅主要和備份能發電。燃料電池是作為動力源在遠端位置,如航太器、 遠端氣象站、 大型公園、 通訊中心、 農村處地點,包括研究站和某些軍事應用程式中非常重要。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[25]。相當於六年產電運行其當中有不多於一分鐘的停機時間。[26] 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。[27]

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。[28]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%。[29]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。[30]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[31] ,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。[32]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[33][34],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[35]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 美製加侖 (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。[36]

熱電聯產(CHP)[編輯]

熱電聯產(CHP)燃料電池系統,包括微型熱電聯產英語Micro combined heat and power(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 家用燃料電池英語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 給家用燃料電池英語home fuel cell或小型企業。[37]

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[38][39]

熱電聯產系統可以達到 85%的效率 (40-60%是電 + 其餘是熱)[18]。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[40]。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,並有電力能源約60%的效率。[41]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。[42][43]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。[44]

燃料電池車(FCEVs)[編輯]

一部燃料電池車的部件配置.

汽車[編輯]

豐田汽車的Toyota FCV PEMFC 燃料電池汽車.

雖然目前還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FCX Clarity英語FCHV-ADV,豐田的FCHV-ADV英語FCHV-ADV,梅賽德斯-奔馳的F-CELL英語F-CELL[45] 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,重新加註燃料超過27,000次[46]。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[47]

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[48][49],或將需要幾十年來讓它們變得有利可圖[50][51]。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"。[52]

巴士[編輯]

Mercedes-Benz (Daimler AG) Citaro 燃料電池巴士,在倫敦奧德維奇英語Aldwych
豐田的氫氣燃料電池巴士(TOYOTA FCHV Bus),在2005年世界博覽會

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, 豐田Toyota), Ballard英語BallardHydrogenics英語HydrogenicsProton Motor英語Proton Motor等公司生產。UTC巴士已經積累了超過 600,000 mi(970,000 km) 的行駛距離。[53] 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% 。[54]

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。[55] 燃料電池巴士俱樂部英語Fuel Cell Bus Club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。[55]
  • 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 。[56][57]
  • 在加州的 Thor 巴士車隊使用了UTC Power燃料電池, 由SunLine Transit Agency 交通公司運行.[58]

叉車(堆高機)[編輯]

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。[59]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。[60]

摩托車和單車類[編輯]

Element One英語Element One燃料電池賽車

在2005年,英國的智能能源公司(Intelligent Energy)生產的第一個氫氣運行摩托車ENV英語ENV(中性排放車)。摩托車有足夠運行4小時的燃料,並且以 80 km/h(50 mph) 的速度在市區行駛了 100 英里 (160 km)。[61] 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[62][63] 還有其他幾個單車例子[64] 和自行車例子[65] 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[編輯]

由氫燃料電池驅動的Fuel Cell Demonstrator波音飛機

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[66]。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的堆疊的設計,這允許所述燃料電池被集成在空氣動力學表面之下[67]

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[68]。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[69]。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 20,000 m(65,000 ft) 並有多達4天的時間進行研究和監測[70]。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[編輯]

世界第一艘經公證的燃料電池船HYDRA英語HYDRA,在德國萊比錫

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。

潛艇[編輯]

絕氣推進潛艇可以使用燃料電池為動力。

德國和義大利海軍的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[71]。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。[72]

便攜式電源系統[編輯]

使用燃料電池便攜電源系統可以在休閒領域中使用(即露營車,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。

其他應用[編輯]

加燃料站[編輯]

在2010年,在美國有超過85個加氫站英語Hydrogen station[79]

截至2012年6月,加州有23個加氫站運行。[79][80]

冰島,第一個公共加氫站英語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運輸網。

目前,德國在全國范圍內有14個加氫站英語Hydrogen station並計劃到2015年擴大到50個,[81]通過其公私合作夥伴關係英語public private partnership現在的GMBH公司。[82]日本也有氫能高速公路英語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英語Hydrogen station可能運行。[83]加拿大,瑞典和挪威也有氫高速公路正在實施。[來源請求]

市場和經濟[編輯]

2012年,燃料電池行業的收入超過10億美元的全世界市值,並且亞太國家運送超過3/4的燃料電池系統到世界各地。[84]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。[85]在2010年,燃料電池堆的全球出貨量有140000,而在2007年有11000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。[86]

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韓國[87]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。[88]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,維護和硬體的價格。[89][90]

參看[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Khurmi, R.S.Material Science
  2. ^ Nice, Karim and Strickland,Jonathan."How Fuel Cells Work: Polymer Exchange Membrane Fuel Cells"How Stuff Works, accessed August 4, 2011
  3. ^ Prabhu, Rahul R. Stationary Fuel Cells Market size to reach 350,000 Shipments by 2022. Renew India Campaign. 13 January 2013 [2013-01-14]. 
  4. ^ George Wand. Fuel Cells History, part 1 (PDF). Johnson Matthey plc. 14. [2008-10-06]. "In January 1839 the German/Swiss chemist Christian Friedrich Schönbein wrote an article in one of the scientific magazines of the time about his discovery of ozone and about the reaction of hydrogen and oxygen. But it was no other than William Grove to document just one month later, in February of 1839, his observations in the "Philosophical Magazine". He had conducted a series of experiments with his second invention which he termed a 「gas voltaic battery」." 
  5. ^ Grove,William Robert "On Voltaic Series and the Combination of Gases by Platinum", Philosophical Magazine and Journal of Science vol. XIV (1839), pp 127-130.
  6. ^ Grove, William Robert. "On a Gaseous Voltaic Battery", Philosophical Magazine and Journal of Science vol. XXI (1842), pp. 417–420
  7. ^ Roger Billings BiographyInternational Association for Hydrogen Energy.Retrieved 2011-03-08.
  8. ^ "The PureCell Model 400 - Product Overview" UTC Power.Retrieved 2011-12-22.
  9. ^ "Apollo Space Program Hydrogen Fuel Cells" Spaceaholic.com.Retrieved 2009-09-21.
  10. ^ Larminie, James (1 May 2003). Fuel Cell Systems Explained, Second Edition.SAE International.ISBN0-7680-1259-7
  11. ^ Anne-Claire Dupuis, Progress in Materials Science, Volume 56, Issue 3, March 2011, Pages 289-327
  12. ^ Measuring the relative efficiency of hydrogen energy technologies for implementing the hydrogen economy 2010
  13. ^ Kakati, B. K., Deka, D., "Effect of resin matrix precursor on the properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell", Energy & Fuels 2007, 21 (3):1681–1687.
  14. ^ LEMTA – Our fuel cells. Perso.ensem.inpl-nancy.fr. [2009-09-21]. 
  15. ^ Fuel cell system cost
  16. ^ Meyers, Jeremy P. "Getting Back Into Gear: Fuel Cell Development After the Hype". The Electrochemical Society Interface, Winter 2008, pp. 36–39, accessed August 7, 2011
  17. ^ Water_and_Air_Management. Ika.rwth-aachen.de. [2009-09-21]. 
  18. ^ 18.0 18.1 18.2 "Types of Fuel Cells". Department of Energy EERE website, accessed 4 August 2011
  19. ^ "Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)". FCTec website', accessed August 4, 2011
  20. ^ "Molten Carbonate Fuel Cell Technology". U.S. Department of Energy, accessed August 9, 2011
  21. ^ "Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)". FCTec.com, accessed 9 August 2011
  22. ^ 田辺茂著 『燃料電池の基礎マスター』 電気書院 2009年1月31日第1版第1刷発行 ISBN 9784485610077
  23. ^ 23.0 23.1 23.2 23.3 23.4 "Fuel Cell Technologies Program: Glossary". Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel Cell Technologies Program. 7 July 2011. Accessed 3 August 2011.
  24. ^ "Aqueous Solution". Merriam-Webster Free Online Dictionary
  25. ^ "Fuel Cell Basics: Benefits" Fuel Cells 2000. http://www.fuelcells.org/basics/benefits.html. Retrieved 2007-05-27.
  26. ^ "Fuel Cell Basics: Benefits"Publisher: Fuel Cells 2000. Accessed August 2nd 2011.
  27. ^ "Fuel Cell Basics: Applications" Fuel Cells 2000. Accessed August 2nd 2011.
  28. ^ "Types of Fuel Cells"Department of Energy EERE website, accessed August 4, 2011
  29. ^ "Types of Fuel Cells"Department of Energy EERE website, accessed August 4, 2011
  30. ^ "Energy Sources: Electric Power"U.S. Department of Energy. Accessed August 2nd 2011.
  31. ^ "2008 Fuel Cell Technologies Market Report"Bill Vincent of the Breakthrough Technologies Institute, Jennifer Gangi, Sandra Curtin, and Elizabeth Delmont. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy. June 2010.
  32. ^ U.S. Fuel Cell Council Industry Overview 2010, pg 12. US Fuel Cell Council. 2010.
  33. ^ Kuo, Iris."Coca-Cola, Walmart sign up for Bloom's new fuel-cell electricity service" venturebeat.com. http://venturebeat.com/2011/01/20/bloom-energy-launches-fuel-cell-electricity-service-signs-up-coca-cola-wal-mart/. Retrieved 13 January 2012.
  34. ^ "The Business Case For Fuel Cells: Why Top Companies are Purchasing Fuel Cells Today" Sandra Curtin and Jennifer Gangi. Fuel Cells 2000. September 2010.
  35. ^ "Stuart Island Energy Initiative"Siei.org. http://www.siei.org/. Retrieved 2009-09-21. - gives extensive technical details
  36. ^ Hempstead, Town of."Town's Answer to Clean Energy is Blowin' in the Wind: New Wind Turbine Powers Hydrogen Car Fuel Station" Town of Hempstead. http://townofhempstead.org/news/564-towns-answer-to-clean-energy-is-blowin-in-the-wind-new-wind-turbine-powers-hydrogen-car-fuel-station. Retrieved 13 January 2012.
  37. ^ COGEN EUROPE
  38. ^ Patent 7,334,406. [25 August 2011]. 
  39. ^ Geothermal Heat, Hybrid Energy Storage System. [25 August 2011]. 
  40. ^ "PureCell Model 400: Overview". UTC Power. Accessed August 2, 2011.
  41. ^ "Comparison of Fuel Cell Technologies". Departement of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel Cell Technologies Program. February 2011.
  42. ^ H.I. Onovwiona and V.I. Ugursal. Residential cogeneration systems: review of the current technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10(5):389 – 431, 2006.
  43. ^ AD. Hawkes, L. Exarchakos, D. Hart, MA. Leach, D. Haeseldonckx, L. Cosijns and W. D』haeseleer. EUSUSTEL work package 3: Fuell cells, 2006.
  44. ^ Reduction of residential carbon dioxide emissions through the use of small cogeneration fuel cell systems. IEA Greenhouse Gas R&D Programme (IEAGHG). 11 November 2008 [2013-07-01]. 
  45. ^ "Hydrogen and Fuel Cell Vehicles Worldwide". TÜV SÜD Industrie Service GmbH, accessed on August 2, 2011
  46. ^ Wipke, Keith, Sam Sprik, Jennifer Kurtz and Todd Ramsden. "Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructure Demonstration and Validation Project". National Renewable Energy Laboratory, September 11, 2009, accessed on August 2, 2011
  47. ^ Wipke, Keith, Sam Sprik, Jennifer Kurtz and Todd Ramsden. "National FCEV Learning Demonstration". National Renewable Energy Laboratory, April 2011, accessed August 2, 2011
  48. ^ From TechnologyReview.com "Hell and Hydrogen", March 2007. Technologyreview.com. [2011-01-31]. 
  49. ^ White, Charlie. "Hydrogen fuel cell vehicles are a fraud" Dvice TV, July 31, 2008
  50. ^ Squatriglia, Chuck. "Hydrogen Cars Won't Make a Difference for 40 Years", Wired, May 12, 2008
  51. ^ Boyd, Robert S. "Hydrogen cars may be a long time coming". McClatchy Newspapers, May 15, 2007, accessed August 13, 2011
  52. ^ "GM CEO: Fuel cell vehicles not yet practical", The Detroit News, July 30, 2011; and Chin, Chris. "GM's Dan Akerson: Fuel-cell vehicles aren't practical… yet". egmCarTech, August 1, 2011, accessed February 27, 2012
  53. ^ "Transportation Fleet Vehicles: Overview". UTC Power. Accessed August 2, 2011.
  54. ^ "FY 2010 annual progress report: VIII.0 Technology Validation Sub-Program Overview".John Garbak. Department of Energy Hydrogen Program.
  55. ^ 55.0 55.1 "National Fuel Cell Bus Program Awards". Calstart. Accessed 12 August 2011
  56. ^ European Fuel Cell Bus Project Extended by One Year. DaimlerChrysler. [2007-03-31]. [失效連結]
  57. ^ Fuel cell buses. Transport for London. [2007-04-01]. (原始內容存檔於May 13, 2007). 
  58. ^ UTC Power - Fuel Cell Fleet Vehicles. [失效連結]
  59. ^ "Hydrogen Fueling Stations Could Reach 5,200 by 2020". Environmental Leader: Environmental & Energy Management News,July 20, 2011, accessed August 2, 2011
  60. ^ "Fact Sheet: Materials Handling and Fuel Cells". Fuel Cell and Hydrogen Energy Association. Accessed August 2, 2011.
  61. ^ The ENV Bike. Intelligent Energy. [2007-05-27]. 
  62. ^ Honda Develops Fuel Cell Scooter Equipped with Honda FC Stack. Honda Motor Co. 2004-08-24 [2007-05-27]. 
  63. ^ Bryant, Eric. Honda to offer fuel-cell motorcycle. autoblog.com. 2005-07-21 [2007-05-27]. 
  64. ^ 15. Dezember 2007. Hydrogen Fuel Cell electric bike. Youtube.com. [2009-09-21]. 
  65. ^ "Horizon fuel cell vehicles: Transportation: Light Mobility". Horizon Fuel Cell Technologies. 2010. Accessed August 2, 2011.
  66. ^ Boeing Successfully Flies Fuel Cell-Powered Airplane. . Boeing. April 3, 2008. Accessed August 2, 2011.
  67. ^ "First Fuel Cell Microaircraft"[失效連結]
  68. ^ "Horizon Fuel Cell Powers New World Record in UAV Flight". Horizon Fuel Cell Technologies. November 1, 2007.
  69. ^ "Fuel Cell Powered UAV Completes 23-hour Flight". Alternative Energy: News. October 22, 2009. Accessed August 2, 2011.
  70. ^ "Hydrogen-powered unmanned aircraft completes set of tests".www.theengineer.co.uk. 20 June 2011. Accessed August 2, 2011.
  71. ^ "Super-stealth sub powered by fuel cell". Frederik Pleitgen. CNN Tech: Nuclear Weapons. February 22, 2011. Accessed August 2, 2011.
  72. ^ "U212 / U214 Attack Submarines, Germany". Navel-Technology.com. Accessed August 2, 2011.
  73. ^ "Ballard fuel cells to power telecom backup power units for motorola". Association Canadienne de l'hydrogene et des piles a combustible. July 13th 2009. Accessed August 2, 2011.
  74. ^ India telecoms to get fuel cell power[失效連結]
  75. ^ "Fuel Cell Applications". Fuel Cells 2000. Accessed August 2, 2011
  76. ^ DVGW VP 119 Brennstoffzellen-Gasgeräte bis 70 kW. DVGW. (German)
  77. ^ Laine Welch. Laine Welch: Fuel cell technology boosts long-distance fish shipping. Anchorage Daily News. 18 May 2013 [19 May 2013]. 
  78. ^ Fuel Cell Technology Applied to Alcohol Breath Testing. Intoximeters, Inc. [24 October 2013]. 
  79. ^ 79.0 79.1 "Alternative Fueling Station Locator". U.S. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Alternative Fuel & Advance Vehicle Center. 14 January 2010.
  80. ^ Ingram, Antony. "RIP Hydrogen Highway? California Takes Back Grant Dollars", Green Car Reports, 5 June 2012
  81. ^ German Government announces support for 50 urban hydrogen refuelling stations
  82. ^ Bundesverkehrsministerium und Industriepartner bauen überregionales Tankstellennetz (German)
  83. ^ Higashi, Tadashi. "Initiative to Promote a Diffusion of Hydrogen Fuel Cell Vehicles", Fukuoka Strategy Conference for Hydrogen Energy, February 1, 2012, accessed November 16, 2013
  84. ^ "Navigant: fuel cell industry passed $1-billion revenue mark in 2012", Green Car Congress, 12 August 2013
  85. ^ Wesoff, Eric. "Will Plug Power Be the First Profitable Fuel Cell Company?". Greentech Media, October 21, 2013
  86. ^ Fuel cell report highlights continued growth in material handling applications
  87. ^ Adamson, Karry-Ann and Clint Wheelock. "Fuel Cell Annual Report 2011". 2Q 2011, Pike Research, accessed August 1, 2011
  88. ^ "Solid State Energy Conversion Alliance SECA Cost Reduction". U.S. Dept. of Energy, 31 January 2011, accessed 1 August 2011
  89. ^ "Lower & Lock-In Energy Costs". Bloom Energy, accessed 3 August 2011
  90. ^ Wesoff, Eric. "Bloom Energy Plays the Subsidy Game Like a Pro", April 13, 2011, accessed August 1, 2011

有關書籍[編輯]

  • Vielstich, W., et al. (eds.) (2009). Handbook of fuel cells: advances in electrocatalysis, materials, diagnostics and durability. 6 vol. Hoboken: Wiley, 2009.
  • Gregor Hoogers (2003). Fuel Cell Technology – Hand Book. CRC Press.
  • James Larminie and Andrew Dicks (2003). Fuel Cell Systems Explained, 2nd Edition. John Wiley and Sons.
  • High Temperature Solid Oxide Fuel Cells-Fundamentals, Design and Applications. Elsevier. 2003.
  • Frano Barbir (2005). PEM Fuel Cells-Theory and Practice. Elsevier Academic Press.
  • EG&G Technical Services, Inc. (2004). Fuel Cell Technology-Hand book, 7th Edition. U.S. Department of Energy.
  • Matthew M. Mench (2008). Fuel Cell Engines. John Wiley & Sons, Inc..

外部連結[編輯]