一、燃料電池與氫能的發展

(一)燃料電池的歷史

隨著現代文明的發展，人們認知傳統的能源利用方式有兩大缺點，一是儲存於燃料中的化學能必需首先轉變成熱能後才能轉變成機械能或電能，受卡諾循環及材料限制，效率只有33~35%，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統的能源利用方式帶給環境廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪音的污染。多年來人們一直在努力尋找既有較高效率又不污染環境的能源利用方式，這就是燃料電池發電技術。

1839年英國的Grove發明了燃料電池，並用以鉑黑為催化劑的氫氧燃料電池點亮了倫敦演講廳的照明燈。60年代，燃料電池成功地應用於阿波羅登月太空船，從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛用於太空領域，同時磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始，各種小功率電池在軍事及交通等各領域中均得到應用。依據電解質的不同，燃料電池分為鹼性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交换膜燃料電池（PEMFC）等。

(二)氫燃料電池是什麼？

氫燃料電池技術不但可以驅動汽車，船隻和飛機，還可以為手機，電腦，工廠及家庭提供穩定高效無污染電源，實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠。1970 年4月10日阿波羅13 號太空船登月途中發生意外，使曾經出過十數次任務的氫氧燃料電池開始為人們所注意。這種太空任務中使用的發電裝置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及電催化的反應機制，直接轉換成電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發電效率高，對環境的污染亦相當輕微。燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。可以替代汽車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備之發電用。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然後再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。德國，被用作潛水艇的動力日本FCX-V3 燃料電池汽車的燃料氫是填充在250 個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大Mark-900 燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃低溫下工作。大量生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國電動車產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。

(三)燃料電池的特點與原理

由於燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為能，因此没有像火力發電須通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量變化，可以避免能量轉換損失，達到高發電效率。同時有以下特點：

• 不管是負載多寡及裝置規模大小均能保持高發電效率
• 具有很強的過負載能力且可適用的燃料廣泛
• 發電出力由電池堆的出力和組數決定，機組容量的自由度大
• 電池本體的負荷反應性好，用於電網調峰優於其他發電方式

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池内部，因此限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供给，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續發電。    

燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔淨、無污染、噪音低，模組結構、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之後第四代發電裝置和替代内燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。

二、世界首列氫能源有軌電車出現中國 

3月19日，世界首列氫能源有軌電車在位于青島的中國南車四方股份公司竣工下線，車輛加滿一次氫只需3分鐘，可持續行駛100公里，最高運行時速可達70公里。這輛車是繼永磁現代有軌電車和混合儲能式有軌電車后，南車四方在有軌電車領域的又一重大創新成果，填補了氫能源在全球有軌電車領域用的空白，也使中國成為世界上第一個掌握能源有軌電庫技術的國家。氫燃料作為一新型清潔能源，是當前全球新能源開發利用的主流方向之一。氫燃料電池技術已在汽車業得到商業化運用，而在軌道交通領域尚處於早期階段，未有成熟的應用，尤其在有軌電車領域尚屬空白。南車四方公司從2013年開始聯合業内權威科研院所，歷時近兩年的攻關，突破了將氫燃料電池應用于有軌電車的一系列關鍵技術，率先開發出氫能源有軌電車。

南車四方公司總工程師梁建英告訴記者，下線的氫能源有軌電車採用氫燃料電池作為動力源，其功能相當于一個“發電機組”，即在車載氫燃料電池堆里，通過氫氣和氧氣結合的化學反應產生電流，源源不斷輸送電能，驅動有軌電車。同時，氫能源有軌電車全線無接觸網營運，不影響城市景觀，也無需沿途設置充電站，節約了整体投資成本。氫能源有軌電車不僅解決了常規有軌電車需架設接觸網、普通儲能式有軌電車續航里程短的“瓶頸”問題，而且，車載氫燃料電池的整個反應過程最高温度不超過100℃，不會產生氮氧化合物，唯一產物是水，因而做到了真正意義上的“零”排放，綠色環保。據梁建英介紹，新製的氫能源有軌電車還應用了同步永磁電機直驅、絞接轉向架兩項世界領先技術，具有傳動效率高、啟動加速度快、營運可靠、維護費用低、轉彎靈活、曲線通過能力強等技術優勢。車輛設計採用模塊化，可2至5節靈活編組，新下線的氫能源有軌電車採用3節編組，設座位60多個，總載客量超過380人。車輛還採用世界最先進的100%低地板技術，地板距軌面高度僅37.8厘米，無需站台，乘客抬脚即可搭乘。繼接觸網式有軌電車和儲能式有軌電車之后，氫能源有軌電車的問世，開啟了以新能源應用為標誌的現代有軌電車“3.0時代”。3月19日，世界首列氫能源有軌電車在中國南車四方公司竣工下線，它的問世，填補了氫能源在全球有軌電車領域應用的空白，也使中國大陸成為世界上第一個掌握氫能源有軌電車技術的國家。