燃料電池相對于鋰離子電池有哪些優(yōu)勢和不足

【專家解說】：　　燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、[1] 材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點。
　　總的來說，燃料電池具有以下特點：能量轉化效率高；它直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。[2] 燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。安裝地點靈活；燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。負荷響應快，運行質量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。
　　由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：

　　不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率；
　　不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；
　　具有很強的過負載能力；
　　通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；
　　發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機組的容量的自由度大；
　　電池本體的負荷響應性好，用于電網(wǎng)調峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；
　　用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。
　　如此由燃料電池構成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)具有極大的吸引力。
　　燃料電池的優(yōu)勢，科技手段中，尚沒有一項能源生成技術能如燃料電池一樣將諸多優(yōu)點集合于一身。[3]
　　能源安全性。自1970年代的石油危機后，各大工業(yè)國對石油的依賴仍有增無減，而且主要靠石油輸出國的供應。美國載客車輛每日可消耗約600萬桶油，占油料進口量之85%。若有20%的車輛采用燃料電池來驅動，每日便可省下120萬桶油。
　　國防安全性。燃料電池發(fā)電設備具有散布性的特質，它可讓地區(qū)擺脫中央發(fā)電站式的電力輸配架構。長距離、高電壓的輸電網(wǎng)絡易成為軍事行動的攻擊目標。燃料電池設備可采集中也可采分散性配置，進而降低了敵人欲癱瘓國家供電系統(tǒng)的風險。
　　高可靠度供電。燃料電池可架構于輸配電網(wǎng)絡之上作為備援電力，也可獨立于電力網(wǎng)之外。在特殊的場合下，模塊化的設置(串聯(lián)安裝幾個完全相同的電池組系統(tǒng)以達到所需的電力)可提供極高的穩(wěn)定性。
　　燃料多樣性?，F(xiàn)代種類繁多的電池中，雖然仍以氫氣為主要燃料，但配備「燃料轉化器(或譯重組器，fuel reformer)」的電池系統(tǒng)可以從碳氫化合物或醇類燃料中萃取出氫元素來利用。此外如垃圾掩埋場、廢水處理場中厭氧微生物分解產(chǎn)生的沼氣也是燃料的一大來源。利用自然界的太陽能及風力等可再生能源提供的電力，可用來將水電解產(chǎn)生氫氣，再供給至燃料電池，如此亦可將「水」看成是未經(jīng)轉化的燃料，實現(xiàn)完全零排放的能源系統(tǒng)。只要不停地供給燃料給電池，它就可不斷地產(chǎn)生電力。
　　高效能。由于燃料電池的原理系經(jīng)由化學能直接轉換為電能，而非產(chǎn)生大量廢氣與廢熱的燃燒作用，現(xiàn)今利用碳氫燃料的發(fā)電系統(tǒng)電能的轉換效率可達40~50%；直接使用氫氣的系統(tǒng)效率更可超過50%；發(fā)電設施若與燃氣渦輪機并用，則整體效率可超過60%；若再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。用于車輛的燃料電池其能量轉換率約為傳統(tǒng)內(nèi)燃機的3倍以上，內(nèi)燃引擎的熱效率約在10~20%之譜。
　　環(huán)境親和性?？茖W家們已認定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌癥的元兇之一。最近的健康研究顯示，市區(qū)污染性的空氣對健康的威脅如同吸入二手煙。燃料電池運用能源的方式大幅優(yōu)于燃油動力機排放大量危害性廢氣的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳，但其含量遠低于汽油之排放量(約其1/6)。
　　燃料電池發(fā)電設備產(chǎn)生1000仟瓦-小時的電能，排放之污染性氣體少于1盎斯；而傳統(tǒng)燃油發(fā)電機則會產(chǎn)生25磅重的污染物。因此，燃料電池不僅可改善空氣污染的情況，甚可能許給人類未來一片潔凈的天空。
　　可彈性設置/用途廣。燃料電池的迷人之處在于其多樣風貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點外，它還具有縮放性。利用黃光微影技術可制作微型化的燃料電池；利用模塊式堆棧配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發(fā)電元所產(chǎn)生的電壓約為0.7伏特，剛好能點亮一只燈。將發(fā)電元予以串接，便構成燃料電池組，其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯(lián)的發(fā)電元個數(shù)。
　　燃料電池的劣勢主要是價格和技術上存在一些瓶頸，摘列如下：
　　燃料電池造價偏高：車用PEMFC之成本中質子交換隔膜(USD300/m2)約占成本之35%;鉑觸媒約占40%，二者均為貴重材料。
　　反應/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內(nèi)燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數(shù)來達到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應的發(fā)生。反應性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得。
　　碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經(jīng)過轉化器、一氧化碳氧化器處理產(chǎn)生純氫氣后，方可供現(xiàn)今的燃料電池利用。這些設備亦增加燃料電池系統(tǒng)之投資額。
　　氫氣儲存技術：FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現(xiàn)今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253℃保持氫的液態(tài)氫系統(tǒng)雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5%。
　　氫燃料基礎建設不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。