纯净的持续性能源供应-燃料电池应用优势概论（上）
想像不久的将来,车子不需要加油、电子产品不需要电力燃料、便携设备不需要使用电池,那将是多么环保与美好的景象。近几年来,由于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破,再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来,各国ZF与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。
燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术,而燃料电池的发电系统,不但比传统石化燃料成本低,且有洁净、高效率的好处,更可结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术,将能源使用多元化、可再生化和持续使用。燃料电池使用汽油、酒精、天然气、氢气、沼气等燃料转换成电流,借由外界输入的燃料为能量源,使其能持续产生电力,不需二次电池的充放电程序。充电时,只要清空充满副产品水的容器,然后再装进燃料(酒精等燃料)即可。燃料电池,简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。
尽管Fuel Cell中文译为“燃料电池”,但其实它并非电池,而是经由电化学反应产生电能的发电机,事实上更像一个特殊的环保发电机或内燃机。原因在于一般电池为封闭式系统,而燃料电池属于开放式系统,它并不储存能源,而是转换能源。图1为燃料电池与内燃机的比较,从中可以发现它们的相似性,不过燃料电池利用触媒激活氧化还原反应,直接由燃料氧化产生电能,因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大,若再将其串联成电池堆(fuel cell stack),则可以提供大电流或大电压,因而具有更高的能源密度。此外,燃料电池没有电力衰竭及充电的问题,只要持续供给燃料及氧气,便可持续发电。
图1 内燃机与燃料电池的比较
燃料电池的组成材料简单,结构模块化,使得其应用范围广泛,涵盖紧急备用发电机、住宅用热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、电动辅助/代步车等,被视为是取代传统石化燃料发电与电池系统之最佳干净能源。
燃料电池的起源
可用的资源的短缺让可重复使用、环保及能源转换效率高的新能源技术成为业界发展的目标。其中燃料电池技术因低污染、高能源转换效率的特性,成为近年来最受瞩目的新兴能源供应技术。其实燃料电池的原始模型很早前就已经被提出。早在1839年,William Grove便提出了最原始的燃料电池模型,其基本原理是依据H2与O2两种气体不同的氧化还原电位,藉以获得可供利用的电压。图2所示为Grove的燃料电池模型。为了使氧化还原反应能在室温或略高于室温的环境下发生,一般在H2端与O2端这两端的电极都置有触媒(catalyst)以催化反应,而触媒的来源通常以稳定性佳的金属如铂(Pt)为主。随后的一百多年燃料电池并没有大的进步,直到上世纪60年代由于燃料电池能提供太空工具所需的能量才逐渐受到重视。目前,即使是在当今的太空工具中,燃料电池仍然持续扮演供应能源的重要角色。
