什么是氫燃料電池

氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

氫燃料電池與其他電池區(qū)別

干電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來;而氫燃料電池嚴格地說是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學能直接轉化為電能的電化學發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，這是氫燃料電池的一項關鍵技術，它不僅要為氣體和電解質提供較大的接觸面，還要對電池的化學反應起催化作用。

氫燃料電池應用領域

航天領域

工作示意圖

安裝了這種體積小、容量大的裝置。進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術，很快，氫燃料電池就被運用于發(fā)電和汽車。

大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶。但由于各用電戶的負荷不同，電網(wǎng)有時呈現(xiàn)為高峰，有時則呈現(xiàn)為低谷，這就會導致停電或電壓不穩(wěn)。另外，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設備上，燃燒時還會消耗大量的能源和排放大量的有害物質。而使用氫燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能量轉換率可達60%～80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

氫的化學特性活躍，它可同許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之后，形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會分解，并把所吸收的氫釋放出來，這就構成了一種良好的貯氫材料。

汽車應用

20輛中國自主研制的氫燃料電池轎車在同濟大學新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式，它們將在奧運會中投入運營。這20輛氫燃料電池轎車是基于大眾帕薩特領馭車型，通過改制和集成最新一代燃料電池轎車動力系統(tǒng)平臺而成功研發(fā)出來的。它們以氫氣為能源，經氫氧化學反應生成水，真正實現(xiàn)零污染。氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多公里，時速達每小時140~150公里。氫燃料電池轎車比同類型內燃機車重200多公斤，貴5倍以上。

氫燃料電池客車

氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統(tǒng)、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60~80%，為內燃機的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源!

氫燃料電池車的優(yōu)勢毋庸置疑，劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步，曾經困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術等問題已經逐步攻克并不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發(fā)展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場所難以承受的。

據(jù)悉，這批氫燃料電池車，最大輸出功率高達60千瓦，燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣，大約相當于4升93號汽油。

英國政府將大力發(fā)展氫燃料電池汽車，計劃在2030年之前使英國氫燃料電池車保有量達到160萬輛，并在2050年之前使其市場占有率達到30%-50%。政府將從2015年起實現(xiàn)氫燃料電池汽車本土化生產，并自行研發(fā)相關技術，另外還將建設氫燃料補給站。[3]

目前豐田汽車公司已經將燃料電池的成本大幅降低，整車價格控制在6.9萬美元(40萬人民幣)，可提供100KW動力輸出，續(xù)航能力達到700公里。并將在北美和日本本土上市，上市時間為2015年上半年。[4]

飛機應用

工作原理

燃料電池(FuelCell)，是一種發(fā)電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續(xù)充電，燃料電池正如其名，是繼續(xù)添加燃料以維持其電力，所需的燃料是“氫”，其之所以被歸類為新能源，原因就在此。燃料電池的運作原理(如圖1)，也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個質子(proton)與兩個電子(electron)，其中質子被氧‘吸引’到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流后，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，質子、氧及電子，發(fā)生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物。燃料電池所使用的“氫”燃料可以來自于水的電解所產生的氫氣及任何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、沼氣等等。由于燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時的問題，是目前最具發(fā)展前景的新能源方式，如能普及并應用在車輛及其他高污染之發(fā)電工具上，將能顯著減輕空氣污染及溫室效應。

氫燃料電池飛機

時速百公里

波音公司成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。波音公司稱這在世界特種史上尚屬首次，預示特種工業(yè)未來更加環(huán)保。但波音承認，這一技術不太可能為大型客機提供主要動力。

波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮(zhèn)進行試飛氫燃料電池飛機，成功試飛具有歷史意義。小型飛機起飛及爬升過程使用傳統(tǒng)電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度后，飛機切斷傳統(tǒng)電池電源，只靠氫燃料電池提供動力。飛機在1000米高空飛行了約20分鐘，時速約100公里。這一技術對波音公司意義重大，也讓特種工業(yè)的未來“充滿綠色希望”。

小型飛機由奧地利“鉆石”(Diamond)雙座螺旋槳動力滑翔機改裝而成，飛機內安裝了質子交換膜燃料電池和鋰離子電池。小型飛機翼展16.3米，機身長6.5米，重約800公斤，可容納兩人。試飛過程中，機上只有飛行員一人。

在機艙內，傳統(tǒng)電池安放于唯一的乘客座位上，飛行員背后有一個類似潛水員使用的氧氣罐。波音公司說，這架飛機連續(xù)飛行時間最長45分鐘，“不會產生任何噪音”。氫燃料電池通過氫轉化為水的過程產生電流，不產生溫室氣體。除熱量外，水蒸氣是氫燃料電池產生的唯一副產品。

波音的氫燃料電池飛機帶來技術突破，但“波音(歐洲)研究與技術”部稱，。這一技術可能為大型飛機提供輔助動力，但這需要技術突破。

氫燃料電池技術局限性

在燃料價格上漲、環(huán)境污染與全球變暖的情況下，對更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長。

波音的氫燃料電池飛機帶來技術突破，但波音(歐洲)研究與技術部負責人埃斯卡蒂說，氫燃料電池可以為小型飛機提供飛行動力，但不能為大型客機提供主要動力。

波音公司負責試飛工作的工程師涅韋斯·拉佩納說，這一技術可能為大型飛機提供輔助動力，但這需要技術突破。波音公司說，將繼續(xù)開發(fā)氫燃料電池的潛力，以改善環(huán)境。

國際能源機構說，推廣使用氫氣和氫燃料電池，可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產生溫室氣體的能源消耗。

氫燃料電池汽車原理

氫燃料電池指的是氫通過與氧的化學反應而產生電能的裝置(單純依靠燃燒氫來驅動的“氫內燃機”，也曾出現(xiàn)過，比如寶馬的氫能7系)。氫燃料電池車的驅動力來自于車上的電動機就像純電動車樣，因此氫燃料電池車可以理解為一輛“自帶氫燃料發(fā)電機的電動車”。

原理

在燃料電池堆棧里，進行著氫與氧相結合的反應，其過程中存在電荷轉移，從而產生電流。與此同時氫與氧化學反應后正好生成水。

燃料電池堆棧作為一個化學反應池，其最為關鍵的技術核心為“質子交換薄膜”。在這層薄膜的兩側緊貼著催化劑層，將氫氣分解為帶電離子狀態(tài)，因為氫分子體積小，攜帶電子的氫可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去，但是在攜帶電子的氫穿越這層薄膜孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質子通過薄膜到達另一端。

氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。薄膜兩側的電極板將氫氣拆分成氫離子正電和電子、將氧氣拆分成氧原子以捕獲電子變?yōu)檠蹼x子(負電)，電子在電極板之間形成電流，2個氫離子和1個氧離子結合成為水，水成為了該反應過程中的唯一“廢料”。從本質來講整個運行過程就是發(fā)電過程。隨著氧化反應的進行，電子不斷發(fā)生轉移就形成了驅動汽車所需的電流。

氫燃料電池的工作原理

優(yōu)勢

節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)越

縱觀氫燃料電池整個運行過程中，除了消耗氧氣和空氣之外，沒有其他的能源消耗，沒有加油也沒有充電，節(jié)能性能毋庸置疑。同時，氫燃料電池堆棧在生產電能的過程中只產生水，因此其最大的優(yōu)勢就是真正的實現(xiàn)了“零排放”目標。

容易實現(xiàn)

燃氫發(fā)動機的實用化相對容易實現(xiàn)，傳統(tǒng)內燃機結構只需稍加的改動就可以燃用氫氣，而且可以充分利用全球現(xiàn)存的車用發(fā)動機生產線路和配套設施，因此是目前車用發(fā)動機氫能應用解決方案中最具經濟性和使用最廣泛的。此外，氫內燃機對氫燃料純度的要求也沒有燃料電池那么苛刻，并且在內燃機應用方面，傳統(tǒng)的汽車廠商已經擁有了大量的經驗。

燃料補充時間與燃油車相當

氫燃料電池車加注氫氣的過程非?？焖俦憬?，專用的加氫設備僅需3分鐘即可充滿氫原料，相對于純電動車超長的充電等待時間而言，其優(yōu)勢是顯而易見的。

應用前景

氫燃料電池的優(yōu)點是令人難以想象的，如果使純氫氣，它的生產產物只有水，無污染、無噪聲、效率高、響應性好等。氫燃料電池不但在汽車上可作為汽車的綠色動力源，而且在工業(yè)上也可作為一個大型氫燃料發(fā)電站，前景是不言而喻的。整個氫能系統(tǒng)技術中的燃料電池，被加拿大著名科學家斯科特比喻為能源系統(tǒng)的“芯片”，即能源供應中起著重要的關鍵作用，它進而延伸至整個國民經濟和社會發(fā)展，以及人民生活中起著不可或缺的重要作用。