科普|什么是氢燃料电池？

随着全球对清洁能源的需求不断增加，氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，逐渐进入大众的视野。本文将为您详细介绍氢燃料电池的基本原理、技术特点、应用领域以及发展前景。

什么是氢燃料电池？

氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理基于氢气和氧气在电极上发生的氧化还原反应。氢气在阳极（正极）上被氧化成氢离子（质子）和电子，电子通过外部电路流向阴极（负极），而氢离子则通过电解质膜到达阴极。在阴极，氢离子与氧气结合生成水，同时释放出大量的热能。这个过程中产生的电位差驱动外部电路，从而产生电能。

氢燃料电池反应示意图

燃料电池的概念最早是由德国物理化学家弗里德里希·威廉·奥斯特瓦尔德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853-1932,1909 诺贝尔化学奖获得者）。其主要思想是通过消除燃料燃烧的过渡阶段（热能的形成）来规避上述热机的局限性，并使用燃料化学能的单步转换为电能。他提议利用普通电池（天然燃料的燃烧锟）中发生的电化学机制，制造由空气中的氧气直接氧化天然燃料的装置。执行这种直接转换的设备被命名为“锟絝uel cell锟” 。

氢燃料电池与传统电池存在何种差异？

干电池、著电池是一种储能装置，可以把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氧燃料电池严格来说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是制作氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。氢燃料电池的核心部件包括阳极、阴极、电解质膜和催化剂。催化剂通常是贵金属，如铂、钯和铑，它们能显著提高反应速率和效率。电解质膜则起到隔离阴阳极并传递氢离子的作用，常用的电解质膜包括固体聚合物膜和液态电解质溶液。

单个燃料电池的电压事实上非常低，甚至不到一伏。大多数用户需要更高的电压，例如 6、12 或 24 伏或更高。因此，在燃料电池发电厂中，将适当数量的单体电池串联起来，形成燃料电池的电池堆（或电池，即电池的集合），即电池的正极连接到相邻电池的负极，以此类推，以达到所需的电压。一种常见的设计是由锟絙极电极锟构成的烟囱的压滤机设计。这种电极的一侧用作一个电池的阳极，另一侧用作相邻电池的阴极。

氢燃料电池有哪些种类

氢燃料电池是一种能够将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。根据不同的工作温度、电解质类型以及燃料种类，燃料电池有多种分类方式。以下是几种常见的燃料电池类型：

氢燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应转化为电能的装置。根据电解质的不同，氢燃料电池可以分为多种类型，每种类型都有其特定的工作温度和应用领域。

01. 碱性燃料电池 (AFC)

碱性燃料电池（AFC）是最早开发的燃料电池技术之一，顾名思义，碱性燃料电池的电解质是氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。燃料是氢气，氧化剂是氧气（或空气中的氧）。碱性燃料电池（AFC）的工作温度一般处于50°C——100 °C之间。它的电极由碳和镍等金属制成。这些燃料电池与传统的 PEM 燃料电池类似，不同之处在于它们使用的是碱性膜而不是酸性膜。AFC 电池中电化学反应速度快，所以性能优异。但这种燃料电池面临的一个主要挑战是容易受到二氧化碳的毒害。空气中含有二氧化碳，会导致电池内部形成碳酸盐，这会极大地影响电池的性能和寿命。

02. 磷酸燃料电池 (PAFC)

磷酸燃料电池（PAFC）使用液体磷酸为电解质，采用多孔碳负载铂的催化剂做电极，氢气进料到负电极，氧气（或空气）到正电极。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，大概在150~200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。

03. 质子交换膜燃料电池 (PEMFC)

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）又称质子交换膜燃料电池，与其他燃料电池相比，具有功率密度高、重量轻、体积小等优点。PEM 燃料电池使用固体聚合物作为电解质，并使用含有铂或铂合金催化剂的多孔碳电极。由于使用铂金做催化，导致其成本较高，对燃料是否纯净要求较高。它们只需要氢气、空气中的氧气和水即可工作。它们通常使用储氢罐或重整器提供的纯氢作为燃料。这款电池的工作温度较低，一般在80 °C左右。

这种燃料电池主要用于运输应用和一些固定应用。PEMFC燃料电池尤其适用于汽车应用，如轿车、公共汽车和重型卡车。

04. 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）是一种高温燃料电池，这种类型的燃料电池的运行方式与前面的燃料电池截然不同。燃料由水和化石燃料产生的氢气和一氧化碳混合物组成。电解质为熔融碳酸锂钾，工作温度约为 650 °C（1,200 °F）。升温到工作温度很慢，可能需要几个小时，因此这些电池不适合用于汽车。

与磷酸燃料电池相比，MCFC 能显著提高效率，降低成本。熔融碳酸盐燃料电池与涡轮机配合使用时，效率可接近 65%，大大高于磷酸燃料电池发电厂 37%-42% 的效率。当余热被收集和利用时，整体燃料效率可超过 85%。与碱性、磷酸和 PEM 燃料电池不同，MCFC 不需要外部重整器来将天然气和沼气等燃料转化为氢气。在 MCFC 运行的高温条件下，这些燃料中的甲烷和其他轻碳氢化合物会在燃料电池内部通过一种称为内部重整的过程转化为氢气，这也降低了成本。但它的缺点很明显，因为其高温电解液有腐蚀性，会让电池加速老化，因此这类电池的寿命都相对较短。

05. 固体氧化物燃料电池 (SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

它具备高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。它对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；不需要使用贵金属催化剂；不存在对漏液、腐蚀的管理问题。

这款电池的缺点是升温慢，启动时间较长，需要60-200分钟才能启动，因为使用稀土等贵重材料，因此成本较高。

06. 直接甲醇燃料电池 (DMFC)

直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种以液态甲醇（CH3OH）为燃料、质子交换膜为电解质的燃料电池。直接甲醇燃料电池利用液态甲醇、水和氧气产生水、二氧化碳、热量和电能。

它重量轻、功率大、使用寿命长。直接使用甲醇作为燃料发电。直接甲醇燃料电池是一种低温电池。

07. 光氢化学电池(PEC)

这是一种利用光能转化为化学能的电池，通过光的作用将水分解为氧气和氢气，产生的氧气和氢气可以作为能源，且过程中不会产生二氧化碳等有害气体。

08. 金属空气电池

这是一种新兴的燃料电池类型，它是通过金属与空气中的氧气发生反应来产生电能。这种电池的优点是轻巧、能量密度高，但目前还处于研发阶段。

以上是氢燃料电池的主要类型，每种类型都有其独特的优势和应用场景。质子交换膜燃料电池是目前应用最广泛的一种，而其他类型的燃料电池也在不断发展和完善中。

氢燃料电池的特点

1. 能量转换效率高

燃料电池通过燃料和氧化剂之间的化学反应直接将化学能转化为电能，这个过程不涉及燃烧和热机做功，因此能量转换效率不受“卡诺循环”的限制。理论上，燃料电池的化学能转换效率可达100%，实际能量转换效率也已高达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍。

氢燃料电池示意图

2. 发电效率高

燃料电池发电不受卡诺循环限制，从理论上来说，燃料电池的发电效率能够达到85%-90%，在实现热电联供的前提下，燃料的总利用率能够达到80%以上。

3. 环境污染小

燃料电池的排出物是水，对环境的污染比较小。而且，由于燃料电池是化学能反应，所以二氧化碳的排放量要比热机过程减少40%以上，对大气的污染也比较小。

4. 噪音低

燃料电池的运动部件少，在工作时产生的噪声很低，对人类生活影响也很小。

5. 燃料范围广

燃料电池可使用的燃料范围很广，只要是含有氢原子的物质从理论上来说都是可以作为燃料使用的，像天然气、沼气、酒精等都能作为燃料电池的燃料来使用，符合能源多样化的需求。

6. 比能量高

燃料电池的比能量很高，液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池高10倍以上，能量转换比大。

7. 无污染，干净

燃料电池电动汽车本质上是零排放汽车。如果使用纯氢作为燃料，氢和氧通过电化学方法结合，得到的产物是清水。其他富氢有机化合物在车载重整器中用作燃料电池的燃料以产生氢气。除了水，产品可能含有少量的CO2，但其排放量远低于内燃机，没有其他污染排放。

氢燃料电池产业链

氢燃料电池产业链主要分为上游、中游和下游三个部分，上游以制氢为主，中游以氢燃料电池的零部件生产为主，下游则以氢燃料电池的应用为主。

1. 上游制氢多元化制氢路线：包括PEM电解水制氢、化石能源重整、生物质热裂解、微生物发酵、工业副产气提取等多种方式。

主流制氢方式：PEM电解水制氢有望成为主流制氢方式，因其符合低碳和可持续发展的要求。

燃料电池组件：包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等。其中，电堆又可细分为双极板、电解质、催化剂、气体扩散层等组成部分。

2. 中游储运储运技术：氢能运输当前以气氢运输为主，采用长管拖车运输高压储氢瓶。长管气氢拖车适合短距离运输，中短期氢气需求量提升对运氢降本效果显著。 低温液氢运输适用于长距离和大规模，度电成本下行和规模化驱动降本。综合考虑能效性和安全性，未来液氢和管道运输有望成为主流。

3.下游应用重要发展方向：FCEV(燃料电池电动汽车)配套的氢燃料电池是氢能产业链的重要发展方向。

应用领域：交通、航天能源、储能以及轨道交通等。

随着全球对清洁能源的需求不断增加，氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，具有巨大的发展潜力。未来，氢燃料电池有望在交通领域、储能系统和分布式能源系统等领域得到更广泛的应用。

然而，氢燃料电池产业的发展还面临一些挑战，如氢气的制备、储存和运输成本较高，以及燃料电池本身的制造成本等。为了推动氢燃料电池产业的快速发展，需要加大研发投入，提高技术水平，降低成本，并加强产业链上下游的协同合作。