蘋果(Apple)即將於今年啟用的Campus 2、也就是被稱為是夢幻總部的「宇宙飛船」,內部採用美國燃料電池大廠Bloom Energy的燃料電池,讓燃料電池儼然成為未來環保新趨勢,也掀起全球不少討論的話題。
燃料電池是一種主要透過氧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。燃料電池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,因此透過電堆串連後,甚至可成為發電量百萬瓦(MW)級的發電廠。
1838年 德國的科學家Christian Friedrich Schonbein發現燃料電池的原理。
1842年 威廉‧葛洛夫爵士製作了第一個燃料電池。
1950年代末期 NASA為了太空探索任務又重新炒熱了燃料電池的應用。
1959年 Harry Karl Ihrig團隊製造出以15仟瓦功率的燃料電池驅動的牽引車。
1960年 Pratt and Whitney獲得Bacon’s專利的許可,將燃料電池當作太空計畫中電力和水的來源。
1960年代 幾次的太空任務中,燃料電池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。
燃料電池在現今太空探索任務中的應用
新型的质子交换膜燃料电池增强了漫游车太空作业的操作性,利于完成美国宇航局将来的太空探索任务。此燃料电池不需要去水泵,它利用毛细管作用去除内部积水。一个不需要泵,内部没用水流场的燃料电池将会更加简单,轻便和可靠。
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。
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)
燃料電池的類型
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,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。
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,如航太器、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。
燃料電池車
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。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。
摩托車和單車類
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。摩托車有足夠運行4小時的燃料,並且以80公里每小時的速度在市區行駛了160 公里。
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。
其他應用
筆記本電腦,在沒有交流電的地方的充電應用。
小電器的可攜式充電器(例如,提供充電給行動電話或者個人數位助理(PDA)。
智慧型手機,可攜式電腦和平板電腦。
小型取暖電器
食物保存
呼吸分析儀
一氧化碳探測器,電化學傳感器。
燃料電池的商業發展
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。