隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾樱瑲淙剂想姵刈鳛橐环N清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，逐漸進(jìn)入大眾的視野。本文將為您詳細(xì)介紹氫燃料電池的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展前景。

什么是氫燃料電池？

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其基本原理基于氫氣和氧氣在電極上發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。氫氣在陽(yáng)極（正極）上被氧化成氫離子（質(zhì)子）和電子，電子通過(guò)外部電路流向陰極（負(fù)極），而氫離子則通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極。在陰極，氫離子與氧氣結(jié)合生成水，同時(shí)釋放出大量的熱能。這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的電位差驅(qū)動(dòng)外部電路，從而產(chǎn)生電能。

氫燃料電池反應(yīng)示意圖

燃料電池的概念最早是由德國(guó)物理化學(xué)家弗里德里希·威廉·奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853-1932,1909 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）。其主要思想是通過(guò)消除燃料燃燒的過(guò)渡階段（熱能的形成）來(lái)規(guī)避上述熱機(jī)的局限性，并使用燃料化學(xué)能的單步轉(zhuǎn)換為電能。他提議利用普通電池（天然燃料的燃燒錕）中發(fā)生的電化學(xué)機(jī)制，制造由空氣中的氧氣直接氧化天然燃料的裝置。執(zhí)行這種直接轉(zhuǎn)換的設(shè)備被命名為“錕絝uel cell錕” 。

氫燃料電池與傳統(tǒng)電池存在何種差異？

干電池、著電池是一種儲(chǔ)能裝置，可以把電能貯存起來(lái)，需要時(shí)再釋放出來(lái)；而氧燃料電池嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，這是制作氫燃料電池的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面，還要對(duì)電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。氫燃料電池的核心部件包括陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)膜和催化劑。催化劑通常是貴金屬，如鉑、鈀和銠，它們能顯著提高反應(yīng)速率和效率。電解質(zhì)膜則起到隔離陰陽(yáng)極并傳遞氫離子的作用，常用的電解質(zhì)膜包括固體聚合物膜和液態(tài)電解質(zhì)溶液。

單個(gè)燃料電池的電壓事實(shí)上非常低，甚至不到一伏。大多數(shù)用戶(hù)需要更高的電壓，例如 6、12 或 24 伏或更高。因此，在燃料電池發(fā)電廠中，將適當(dāng)數(shù)量的單體電池串聯(lián)起來(lái)，形成燃料電池的電池堆（或電池，即電池的集合），即電池的正極連接到相鄰電池的負(fù)極，以此類(lèi)推，以達(dá)到所需的電壓。一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是由錕絙極電極錕構(gòu)成的煙囪的壓濾機(jī)設(shè)計(jì)。這種電極的一側(cè)用作一個(gè)電池的陽(yáng)極，另一側(cè)用作相鄰電池的陰極。

氫燃料電池有哪些種類(lèi)

氫燃料電池是一種能夠?qū)⑷剂吓c氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。根據(jù)不同的工作溫度、電解質(zhì)類(lèi)型以及燃料種類(lèi)，燃料電池有多種分類(lèi)方式。以下是幾種常見(jiàn)的燃料電池類(lèi)型：

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)電解質(zhì)的不同，氫燃料電池可以分為多種類(lèi)型，每種類(lèi)型都有其特定的工作溫度和應(yīng)用領(lǐng)域。

01. 堿性燃料電池 (AFC)

堿性燃料電池（AFC）是最早開(kāi)發(fā)的燃料電池技術(shù)之一，顧名思義，堿性燃料電池的電解質(zhì)是氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液。燃料是氫氣，氧化劑是氧氣（或空氣中的氧）。堿性燃料電池（AFC）的工作溫度一般處于50°C——100 °C之間。它的電極由碳和鎳等金屬制成。這些燃料電池與傳統(tǒng)的 PEM 燃料電池類(lèi)似，不同之處在于它們使用的是堿性膜而不是酸性膜。AFC 電池中電化學(xué)反應(yīng)速度快，所以性能優(yōu)異。但這種燃料電池面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是容易受到二氧化碳的毒害。空氣中含有二氧化碳，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部形成碳酸鹽，這會(huì)極大地影響電池的性能和壽命。

02. 磷酸燃料電池 (PAFC)

磷酸燃料電池（PAFC）使用液體磷酸為電解質(zhì)，采用多孔碳負(fù)載鉑的催化劑做電極，氫氣進(jìn)料到負(fù)電極，氧氣（或空氣）到正電極。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，大概在150~200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)。

03. 質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）又稱(chēng)質(zhì)子交換膜燃料電池，與其他燃料電池相比，具有功率密度高、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。PEM 燃料電池使用固體聚合物作為電解質(zhì)，并使用含有鉑或鉑合金催化劑的多孔碳電極。由于使用鉑金做催化，導(dǎo)致其成本較高，對(duì)燃料是否純凈要求較高。它們只需要?dú)錃狻⒖諝庵械难鯕夂退纯晒ぷ鳌Ｋ鼈兺ǔＪ褂脙?chǔ)氫罐或重整器提供的純氫作為燃料。這款電池的工作溫度較低，一般在80 °C左右。

這種燃料電池主要用于運(yùn)輸應(yīng)用和一些固定應(yīng)用。PEMFC燃料電池尤其適用于汽車(chē)應(yīng)用，如轎車(chē)、公共汽車(chē)和重型卡車(chē)。

04. 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）是一種高溫燃料電池，這種類(lèi)型的燃料電池的運(yùn)行方式與前面的燃料電池截然不同。燃料由水和化石燃料產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳混合物組成。電解質(zhì)為熔融碳酸鋰鉀，工作溫度約為 650 °C（1,200 °F）。升溫到工作溫度很慢，可能需要幾個(gè)小時(shí)，因此這些電池不適合用于汽車(chē)。

與磷酸燃料電池相比，MCFC 能顯著提高效率，降低成本。熔融碳酸鹽燃料電池與渦輪機(jī)配合使用時(shí)，效率可接近 65%，大大高于磷酸燃料電池發(fā)電廠 37%-42% 的效率。當(dāng)余熱被收集和利用時(shí)，整體燃料效率可超過(guò) 85%。與堿性、磷酸和 PEM 燃料電池不同，MCFC 不需要外部重整器來(lái)將天然氣和沼氣等燃料轉(zhuǎn)化為氫氣。在 MCFC 運(yùn)行的高溫條件下，這些燃料中的甲烷和其他輕碳?xì)浠衔飼?huì)在燃料電池內(nèi)部通過(guò)一種稱(chēng)為內(nèi)部重整的過(guò)程轉(zhuǎn)化為氫氣，這也降低了成本。但它的缺點(diǎn)很明顯，因?yàn)槠涓邷仉娊庖河懈g性，會(huì)讓電池加速老化，因此這類(lèi)電池的壽命都相對(duì)較短。

05. 固體氧化物燃料電池 (SOFC)

固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。

它具備高效率、無(wú)污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對(duì)多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。它對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運(yùn)行；不需要使用貴金屬催化劑；不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問(wèn)題。

這款電池的缺點(diǎn)是升溫慢，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要60-200分鐘才能啟動(dòng)，因?yàn)槭褂孟⊥恋荣F重材料，因此成本較高。

06. 直接甲醇燃料電池 (DMFC)

直接甲醇燃料電池（DMFC）是一種以液態(tài)甲醇（CH3OH）為燃料、質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)的燃料電池。直接甲醇燃料電池利用液態(tài)甲醇、水和氧氣產(chǎn)生水、二氧化碳、熱量和電能。

它重量輕、功率大、使用壽命長(zhǎng)。直接使用甲醇作為燃料發(fā)電。直接甲醇燃料電池是一種低溫電池。

07. 光氫化學(xué)電池(PEC)

這是一種利用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電池，通過(guò)光的作用將水分解為氧氣和氫氣，產(chǎn)生的氧氣和氫氣可以作為能源，且過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等有害氣體。

08. 金屬空氣電池

這是一種新興的燃料電池類(lèi)型，它是通過(guò)金屬與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電能。這種電池的優(yōu)點(diǎn)是輕巧、能量密度高，但目前還處于研發(fā)階段。

以上是氫燃料電池的主要類(lèi)型，每種類(lèi)型都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。質(zhì)子交換膜燃料電池是目前應(yīng)用最廣泛的一種，而其他類(lèi)型的燃料電池也在不斷發(fā)展和完善中。

氫燃料電池的特點(diǎn)

1. 能量轉(zhuǎn)換效率高

燃料電池通過(guò)燃料和氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)過(guò)程不涉及燃燒和熱機(jī)做功，因此能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制。理論上，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)100%，實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率也已高達(dá)60%～80%，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。

氫燃料電池示意圖

2. 發(fā)電效率高

燃料電池發(fā)電不受卡諾循環(huán)限制，從理論上來(lái)說(shuō)，燃料電池的發(fā)電效率能夠達(dá)到85%-90%，在實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供的前提下，燃料的總利用率能夠達(dá)到80%以上。

3. 環(huán)境污染小

燃料電池的排出物是水，對(duì)環(huán)境的污染比較小。而且，由于燃料電池是化學(xué)能反應(yīng)，所以二氧化碳的排放量要比熱機(jī)過(guò)程減少40%以上，對(duì)大氣的污染也比較小。

4. 噪音低

燃料電池的運(yùn)動(dòng)部件少，在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲很低，對(duì)人類(lèi)生活影響也很小。

5. 燃料范圍廣

燃料電池可使用的燃料范圍很廣，只要是含有氫原子的物質(zhì)從理論上來(lái)說(shuō)都是可以作為燃料使用的，像天然氣、沼氣、酒精等都能作為燃料電池的燃料來(lái)使用，符合能源多樣化的需求。

6. 比能量高

燃料電池的比能量很高，液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍，直接甲醇燃料電池的比能量比鋰離子電池高10倍以上，能量轉(zhuǎn)換比大。

7. 無(wú)污染，干凈

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)本質(zhì)上是零排放汽車(chē)。如果使用純氫作為燃料，氫和氧通過(guò)電化學(xué)方法結(jié)合，得到的產(chǎn)物是清水。其他富氫有機(jī)化合物在車(chē)載重整器中用作燃料電池的燃料以產(chǎn)生氫氣。除了水，產(chǎn)品可能含有少量的CO2，但其排放量遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)，沒(méi)有其他污染排放。

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游、中游和下游三個(gè)部分，上游以制氫為主，中游以氫燃料電池的零部件生產(chǎn)為主，下游則以氫燃料電池的應(yīng)用為主。

1. 上游制氫多元化制氫路線：包括PEM電解水制氫、化石能源重整、生物質(zhì)熱裂解、微生物發(fā)酵、工業(yè)副產(chǎn)氣提取等多種方式。

主流制氫方式：PEM電解水制氫有望成為主流制氫方式，因其符合低碳和可持續(xù)發(fā)展的要求。

燃料電池組件：包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、水泵、氫泵、儲(chǔ)氫器、加濕器等。其中，電堆又可細(xì)分為雙極板、電解質(zhì)、催化劑、氣體擴(kuò)散層等組成部分。

2. 中游儲(chǔ)運(yùn)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)：氫能運(yùn)輸當(dāng)前以氣氫運(yùn)輸為主，采用長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸高壓儲(chǔ)氫瓶。長(zhǎng)管氣氫拖車(chē)適合短距離運(yùn)輸，中短期氫氣需求量提升對(duì)運(yùn)氫降本效果顯著。 低溫液氫運(yùn)輸適用于長(zhǎng)距離和大規(guī)模，度電成本下行和規(guī)模化驅(qū)動(dòng)降本。綜合考慮能效性和安全性，未來(lái)液氫和管道運(yùn)輸有望成為主流。

3.下游應(yīng)用重要發(fā)展方向：FCEV(燃料電池電動(dòng)汽車(chē))配套的氫燃料電池是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要發(fā)展方向。

應(yīng)用領(lǐng)域：交通、航天能源、儲(chǔ)能以及軌道交通等。

隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾樱瑲淙剂想姵刈鳛橐环N清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥?lái)，氫燃料電池有望在交通領(lǐng)域、儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

然而，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，如氫氣的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本較高，以及燃料電池本身的制造成本等。為了推動(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，需要加大研發(fā)投入，提高技術(shù)水平，降低成本，并加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作。