隨著全球對清潔能源的需求不斷增加，氫燃料電池作為一種清潔、高效的能源轉換技術，逐漸進入大眾的視野。本文將為您詳細介紹氫燃料電池的基本原理、技術特點、應用領域以及發展前景。

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能直接轉換成電能的發電裝置。其基本原理基于氫氣和氧氣在電極上發生的氧化還原反應。氫氣在陽極（正極）上被氧化成氫離子（質子）和電子，電子通過外部電路流向陰極（負極），而氫離子則通過電解質膜到達陰極。在陰極，氫離子與氧氣結合生成水，同時釋放出大量的熱能。這個過程中產生的電位差驅動外部電路，從而產生電能。

氫燃料電池反應示意圖

燃料電池的概念最早是由德國物理化學家弗里德里希·威廉·奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853-1932,1909 諾貝爾化學獎獲得者）。其主要思想是通過消除燃料燃燒的過渡階段（熱能的形成）來規避上述熱機的局限性，并使用燃料化學能的單步轉換為電能。他提議利用普通電池（天然燃料的燃燒錕）中發生的電化學機制，制造由空氣中的氧氣直接氧化天然燃料的裝置。執行這種直接轉換的設備被命名為“錕絝uel cell錕” 。

氫燃料電池與傳統電池存在何種差異？

干電池、著電池是一種儲能裝置，可以把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氧燃料電池嚴格來說是一種發電裝置，像發電廠一樣，是把化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。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。氫燃料電池的核心部件包括陽極、陰極、電解質膜和催化劑。催化劑通常是貴金屬，如鉑、鈀和銠，它們能顯著提高反應速率和效率。電解質膜則起到隔離陰陽極并傳遞氫離子的作用，常用的電解質膜包括固體聚合物膜和液態電解質溶液。

單個燃料電池的電壓事實上非常低，甚至不到一伏。大多數用戶需要更高的電壓，例如 6、12 或 24 伏或更高。因此，在燃料電池發電廠中，將適當數量的單體電池串聯起來，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極，以此類推，以達到所需的電壓。一種常見的設計是由錕絙極電極錕構成的煙囪的壓濾機設計。這種電極的一側用作一個電池的陽極，另一側用作相鄰電池的陰極。

氫燃料電池有哪些種類

氫燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。根據不同的工作溫度、電解質類型以及燃料種類，燃料電池有多種分類方式。以下是幾種常見的燃料電池類型：

氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣通過電化學反應轉化為電能的裝置。根據電解質的不同，氫燃料電池可以分為多種類型，每種類型都有其特定的工作溫度和應用領域。

01. 堿性燃料電池 (AFC)

堿性燃料電池（AFC）是最早開發的燃料電池技術之一，顧名思義，堿性燃料電池的電解質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的 PEM 燃料電池類似，不同之處在于它們使用的是堿性膜而不是酸性膜。AFC 電池中電化學反應速度快，所以性能優異。但這種燃料電池面臨的一個主要挑戰是容易受到二氧化碳的毒害。空氣中含有二氧化碳，會導致電池內部形成碳酸鹽，這會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，采用多孔碳負載鉑的催化劑做電極，氫氣進料到負電極，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加速反應。

03. 質子交換膜燃料電池 (PEMFC)

聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）又稱質子交換膜燃料電池，與其他燃料電池相比，具有功率密度高、重量輕、體積小等優點。PEM 燃料電池使用固體聚合物作為電解質，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，導致其成本較高，對燃料是否純凈要求較高。它們只需要氫氣、空氣中的氧氣和水即可工作。它們通常使用儲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輸應用和一些固定應用。PEMFC燃料電池尤其適用于汽車應用，如轎車、公共汽車和重型卡車。

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，這種類型的燃料電池的運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生的氫氣和一氧化碳混合物組成。電解質為熔融碳酸鋰鉀，工作溫度約為 650 °C（1,200 °F）。升溫到工作溫度很慢，可能需要幾個小時，因此這些電池不適合用于汽車。

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配合使用時，效率可接近 65%，大大高于磷酸燃料電池發電廠 37%-42% 的效率。當余熱被收集和利用時，整體燃料效率可超過 85%。與堿性、磷酸和 PEM 燃料電池不同，MCFC 不需要外部重整器來將天然氣和沼氣等燃料轉化為氫氣。在 MCFC 運行的高溫條件下，這些燃料中的甲烷和其他輕碳氫化合物會在燃料電池內部通過一種稱為內部重整的過程轉化為氫氣，這也降低了成本。但它的缺點很明顯，因為其高溫電解液有腐蝕性，會讓電池加速老化，因此這類電池的壽命都相對較短。

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存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。

它具備高效率、無污染、全固態結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛應用的基礎。它對燃料的適應性強，能在多種燃料包括碳基燃料的情況下運行；不需要使用貴金屬催化劑；不存在對漏液、腐蝕的管理問題。

這款電池的缺點是升溫慢，啟動時間較長，需要60-200分鐘才能啟動，因為使用稀土等貴重材料，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）是一種以液態甲醇（CH3OH）為燃料、質子交換膜為電解質的燃料電池。直接甲醇燃料電池利用液態甲醇、水和氧氣產生水、二氧化碳、熱量和電能。

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

07. 光氫化學電池(PEC)

這是一種利用光能轉化為化學能的電池，通過光的作用將水分解為氧氣和氫氣，產生的氧氣和氫氣可以作為能源，且過程中不會產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型，它是通過金屬與空氣中的氧氣發生反應來產生電能。這種電池的優點是輕巧、能量密度高，但目前還處于研發階段。

以上是氫燃料電池的主要類型，每種類型都有其獨特的優勢和應用場景。質子交換膜燃料電池是目前應用最廣泛的一種，而其他類型的燃料電池也在不斷發展和完善中。

氫燃料電池的特點

1. 能量轉換效率高

燃料電池通過燃料和氧化劑之間的化學反應直接將化學能轉化為電能，這個過程不涉及燃燒和熱機做功，因此能量轉換效率不受“卡諾循環”的限制。理論上，燃料電池的化學能轉換效率可達100%，實際能量轉換效率也已高達60%～80%，是普通內燃機熱效率的2～3倍。

氫燃料電池示意圖

2. 發電效率高

燃料電池發電不受卡諾循環限制，從理論上來說，燃料電池的發電效率能夠達到85%-90%，在實現熱電聯供的前提下，燃料的總利用率能夠達到80%以上。

3. 環境污染小

燃料電池的排出物是水，對環境的污染比較小。而且，由于燃料電池是化學能反應，所以二氧化碳的排放量要比熱機過程減少40%以上，對大氣的污染也比較小。

4. 噪音低

燃料電池的運動部件少，在工作時產生的噪聲很低，對人類生活影響也很小。

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從理論上來說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，能量轉換比大。

7. 無污染，干凈

燃料電池電動汽車本質上是零排放汽車。如果使用純氫作為燃料，氫和氧通過電化學方法結合，得到的產物是清水。其他富氫有機化合物在車載重整器中用作燃料電池的燃料以產生氫氣。除了水，產品可能含有少量的CO2，但其排放量遠低于內燃機，沒有其他污染排放。

氫燃料電池產業鏈

氫燃料電池產業鏈主要分為上游、中游和下游三個部分，上游以制氫為主，中游以氫燃料電池的零部件生產為主，下游則以氫燃料電池的應用為主。

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、生物質熱裂解、微生物發酵、工業副產氣提取等多種方式。

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發展的要求。

燃料電池組件：包括燃料電池電堆、空壓機、水泵、氫泵、儲氫器、加濕器等。其中，電堆又可細分為雙極板、電解質、催化劑、氣體擴散層等組成部分。

2. 中游儲運儲運技術：氫能運輸當前以氣氫運輸為主，采用長管拖車運輸高壓儲氫瓶。長管氣氫拖車適合短距離運輸，中短期氫氣需求量提升對運氫降本效果顯著。 低溫液氫運輸適用于長距離和大規模，度電成本下行和規模化驅動降本。綜合考慮能效性和安全性，未來液氫和管道運輸有望成為主流。

3.下游應用重要發展方向：FCEV(燃料電池電動汽車)配套的氫燃料電池是氫能產業鏈的重要發展方向。

應用領域：交通、航天能源、儲能以及軌道交通等。

隨著全球對清潔能源的需求不斷增加，氫燃料電池作為一種清潔、高效的能源轉換技術，具有巨大的發展潛力。未來，氫燃料電池有望在交通領域、儲能系統和分布式能源系統等領域得到更廣泛的應用。

然而，氫燃料電池產業的發展還面臨一些挑戰，如氫氣的制備、儲存和運輸成本較高，以及燃料電池本身的制造成本等。為了推動氫燃料電池產業的快速發展，需要加大研發投入，提高技術水平，降低成本，并加強產業鏈上下游的協同合作。