燃料电池

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。
1955年，一位為奇異工作的化學研究員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，奇異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」。
隨即奇異就和美國國家航空暨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  和最近的太空梭計畫，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。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）

原型的質子交換膜燃料電池的 效率前緣設計、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。

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太空梭及人造衛星上，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。

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，如太空飛行器、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年底公布發展。

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）。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。

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FCX Clarity，豐田的FCHV-ADV，梅賽德斯-奔馳的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"。

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（Intelligent Energy）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80公里每小時（50英里每小時）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和自行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。
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），可用於飛行在  20,000公尺（65,000英尺）  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。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。

加氫站

在2010年，在美國有超過85個加氫站。
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，德國在全國範圍內有14個加氫站並計劃到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，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，維護和硬體的價格。