氢燃料电池

氢燃料电池（Hydrogen   fuel   battery）它是一种可以在室温下将氢能转化为电能的动力装置该装置本质上不是储能电池，而是氢气-电反应器可以直接将化学能转化为电能“发电厂”氢燃料电池具有比传统内燃机更高的能量转换效率和能量密度的特点，不受卡诺循环的限制因此，它是一种清洁的动力装置，广泛应用于交通运输(小汽车、大巴车、摩托车、自行车)物流运输(叉车、卡车)船舶、飞机和无人机等领域。

1842年，William Grove实现了氢氧混合发电，并以此为基础研制出第一个燃料电池，称为气体电池。然后，在20世纪60年代，燃料电池首次在美国太空计划中投入实际应用。燃料电池的兴起和商业化发生在21世纪此时，日本丰田汽车公司推出的第一辆燃料电池汽车Mirai未来组合燃料电池销售模型Clarity以及各种类型的燃料电池无人机正在国际上进行测试。

氢燃料电池根据结构设计方法不同可分为管式和平板式，根据工作温度也可分为低温和低温、中和高温燃料电池；但无论哪种氢燃料电池，一般都是由电堆和电控辅助系统组成，其工作原理是通过氧化还原反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。未来氢燃料电池将以提高电池性能和寿命为目标，向模块化系列化方向发展。此外，它还将加强相关配套设施的建设，如制氢、储氢、加氢等全产业链建设，逐步形成网络化加氢站；并建立和完善相关标准，减少制氢污染、降低制氢能耗。

氢燃料电池以氢气或富氢气体为燃料，通过电化学反应在等温温度下将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能（直流电）的装置。当外部电路施加一定的电压时，水可以分解为氢气和氧气；该实验装置可以检测外电路电流表中的一定电流这个过程既是氢燃料电池电化学反应最基本的过程原理，也是电解水的逆过程氢和氧重新结合并在外部电路中产生电流。虽然这个过程与氢气有关“燃烧”产品是相同的，但与真正的氢燃烧过程不同，燃料电池中的电化学反应直接产生电能，而无需热机过程，并且没有“燃烧”火焰”的特征。

氢燃料电池的工作原理如下图所示电解质将两个半反应分开，氢离子在电解质中迁移，电子在外电路中定向流动，形成总电路，电路的电流方向与电子的运动方向相反。两个半反应分别在阳极和阴极进行阴极被氧化剂还原，阳极被还原剂氧化。对于外部电路的正极和负极，根据一次电池的定义，负极是电池的正极，正极是电池的负极。

氢燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池中，而是储存在电池外部的储罐中（储氢系统）中。当氢燃料电池工作时（当电流输出并且做功时）它需要系统不断向电池输入燃料（纯氢、各种富氢气体等）和氧化剂（纯氧、净化空气等气体）用于同时发电和排出反应产物。

氢燃料电池的关键结构包括电堆和电控辅助系统。

电堆：电堆是燃料电池的核心部件，是由多个燃料电池单体串联或并联组成的具有一定功率的电池组每个单体电池的电压总和等于整个电池堆的输出电压。在电堆工作过程中，燃料伴随在电池结构中、对于氧化剂和冷却剂等流体的输入和输出，电堆结构需要完成流体分配和机械密封的功能。此外，作为电力输出源，电堆通常具有大电流和高电压，因此电堆需要满足电绝缘的基本功能。

氢燃料电池堆主要由双极板组成、膜电极组件、密封垫片、排热板、集电极、 绝缘板、其中膜电极的结构可以分解为气体扩散层、催化层、质子交换膜。氢燃料电池的电化学反应发生在膜电极上。

堆叠具有复杂而精细的机械结构电池组由几组层叠的单体电池组成，加上两侧和最外端板的正极和负极集流体。其中每个单体电池由膜电极组件组成、两个相邻的密封件和两个阳极和阴极单极，阳极和阴极单极的组合可以形成双极板；堆叠片结构的稳定性由外部紧固螺栓或带施加的组装力来维持，并且组装力施加在端板上端板作为电堆的结构件，需要具有一定的强度和刚度，以保证组装力在电池平面上的稳定性和均匀分布；每个单体电池串联连接，并且集电板用作电力输出端子以将堆电力输出到外部负载。

双极板：电池组由多个单体电池堆叠而成，电池之间的连接由极板直接完成 除了电池堆两端的极板，中间的极板一边是阳极，另一边是阴极，所以叫双极板。双极板起到电池之间隔离的作用。双极板设置有用于提供燃料的流动通道（氢气）和氧化剂（氧气或空气）的通道。反应后，剩余的反应气体和反应产生的水通过双极板流道从电池中排出。双极板的两侧都具有流动通道。

膜电极：氢燃料电池是质子交换膜、催化层、集成扩散层被称为膜电极组件，是燃料电池的核心部件。

质子交换膜：质子膜主要用于隔离阴极、阳极与气体和电子反应并传输氢离子。质子交换膜主要包括全氟磺酸型 部分氟化磺酸型和新型非氟化聚合物。

为了满足燃料电池的应用，质子交换膜应满足以下要求：

质子电导率高，电导率一般为0.1S/cm的数量级；

高化学稳定性和电化学稳定性；

对反应气体和其他特定燃料的渗透性低；

机械强度和热稳定性可接受，适用于膜电极的制备和电池组的组装。

催化层：催化层中催化剂的存在可以加速氢燃料电池内部的化学反应，使氢离子的产生速度加快，其转移速度也会加快，从而保证电池的供电。电池的催化层是整个电池的核心。氢燃料电池的催化剂需要能够耐受电解质的腐蚀并具有高催化活性。最早的燃料电池催化剂使用铂作为主要成分。在质子膜燃料电池领域开发了铂黑催化剂、Pt/C催化剂、PtM催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂。

气体扩散层：气体扩散层位于膜电极的最外层，并在氢燃料电池中起支撑催化层的作用、导气排水导流等重要功能。一般来说，气体扩散层的结构分为两层，即多孔碳纤维基材和微孔层。多孔碳纤维基材是气体扩散层的支撑部分。常见的多孔碳纤维基材一般是碳纸和碳纤维布，因为碳纸在厚度上、它在孔径和机械强度方面具有明显优势，已成为氢燃料电池气体扩散层的主要材料。

集电极、密封垫片、绝缘板：集电板由铜板制成，安装在电池堆的两端，即电池堆的电力输出端。为了防止工作气体和冷却液的泄漏，在所有叠放的零件之间要放置密封垫，密封垫要用特殊的橡胶板切割。到2023年底，许多燃料电池已经不使用密封垫片，而是使用燃料电池专用密封剂来粘合堆叠的零件以提高生产效率。绝缘垫圈安装在集电板和端盖之间，以防止端盖带电。由具有良好绝缘性和一定弹性的合成材料制成。

电控辅助系统：电子控制辅助系统通常包括燃料子系统、空气子系统、热管理子系统和系统控制器等燃料子系统、在系统控制器的控制下，空气子系统和热管理子系统分别混合燃料、空气和冷却剂被引入电池堆的相应空腔中，以为电池堆提供稳定的工作条件电堆的反应性和运行稳定性在很大程度上取决于电堆和辅助系统之间的匹配条件。

供气系统的部件包括：空气压缩机、加湿冷却器、空气供应管路、回流管、背压阀等。当氢燃料电池运行时，空气压缩机对环境空气加压并将其送到加湿冷却器，在那里加湿和冷却，然后通过供气管道将其送到电堆的阴极气体流场，未完全反应的多余气体通过回流管和背压阀排放到大气中。

热管理子系统根据散热方式的不同可以分为多种类型，其中氢燃料电池系统最常用的冷却方式是水冷。水冷热管理系统的组件主要包括：冷却水泵、节温器、散热器、加热器、冷却水箱、冷却液管路等。当氢燃料电池冷启动时，加热器将快速加热冷却水以满足电堆的温度需求并加快化学反应速率；当氢燃料电池的负载功率过大而无法产生更多热量时，冷却剂流经电堆内部以带走多余的废热，从而降低电堆的温度。

氢燃料电池的分类与燃料电池完全相同，可以基于不同的结构设计方法、工作温度的不同、通过使用不同电解质和不同支持方法等多个维度进行分类。

根据所用电解液的不同点：氢燃料电池根据使用的电解质不同分为碱性燃料电池（Alkaline   fuel   battery, AFC）质子交换膜燃料电池（Proton   Exchange   Membrane   Fuel   Battery, PEMFC）磷酸燃料电池（PAFC phosphoric acid   acid   fuel   battery）熔融碳酸盐燃料电池（Molten   carbonate   fuel   battery, MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC solid   oxide   fuel   battery）下表详细描述了不同电解质燃料电池的导电离子、工作温度、燃料、氧化剂、催化剂、系统发电效率、性能特征和通用字段。

根据结构设计方法的不同点：根据不同的结构设计方法，氢燃料电池可分为管式和平板式。管状电池的结构特征是一侧的底部是密封的，而另一侧由开口管制成。从内到外，有多孔结构管起支撑作用、阴极、电解质和阳极。管状结构的氢燃料电池无需高温密封即可隔离正负极中的流体，连续稳定运行、优异的热循环性能等。

然而，管状结构也有许多局限性，例如电流路径长以及相关组件的电导率低，因此其输出功率密度明显低于扁平结构。此外，平板结构相对简单，关键部件的制备工艺不复杂且原料便宜，在大规模生产中容易实现商业化。然而，平板氢燃料电池也受到密封困难和机械性能弱的限制。

根据不同的工作温度：根据运行温度，氢燃料电池可分为低温型、中和高温燃料电池。低温燃料电池的工作温度通常低于100℃，中温燃料电池的工作温度通常为100 ~ 300℃，高温燃料电池的工作温度通常为600 ~ 1000℃。

根据支持模式的不同点：在制备单电池时，可以根据不同的应用场景和对机械性能的要求，选择多孔介质或氢燃料电池的任何关键部件作为支撑结构。根据作为支撑结构的任何关键部件的不同，它可以分为阳极支撑、电解质支撑和阴极支撑的氢燃料电池。

优点

效率更高。氢燃料电池直接将化学能转化为电能，其热电效率理论上可达85%~90%然而，由于电化学反应中极化的限制，燃料电池的能量转换效率为40%～60%的范围内。然而，如果实现热电联产，燃料的总利用率可高达80%以上，它比传统内燃机的工作效率要高得多。

环境友好。以纯氢作为氢燃料电池的燃料时，反应产物只有水，不会产生其他污染物而且，氢燃料电池发电没有热机的燃烧过程，因此几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，从而减少了对大气的污染。

能源安全。氢燃料电池使用氢作为燃料。虽然氢在自然界中不以游离形式存在，但可以使用现有的能源（可再生能源、核能、生物能、煤，或者天然气）它是通过水电解法或烃重整制得的。这可以大大减少对石油能源的依赖。

结构简单、噪音低。氢燃料电池具有简单的结构、紧凑，系统不需要太多的辅助部件。安静工作，低噪音。可靠性高。在氢燃料电池中，运动部件很少，可靠性高，可用于特殊场合，如应急电源或不间断电源。

兼容性好、规模可调节。氢燃料电池具有传统电池的构建模块特性，可用于串联多个电池、对外并联供电，也可作为各种规格的分布式电源和移动电源。通过改变单个电池的数量或电池之间的连接方式（串联或者并联）调整刻度以向外部提供所需的电源刻度。

缺点

氢气的制备成本和运输成本太高。根据氢气的制造方法不同，分为灰氢、蓝氢和绿氢。煤灰氢是在煤炭冶炼和工业生产过程中产生的制氢工艺简单，生产成本低，约占总产氢量的80%但是在生产过程中会产生大量的二氧化碳（CO2）等温室气体排放。蓝色氢气由天然气通过蒸汽重整制得，在此过程中会捕获温室气体，从而减少对环境的影响。另一方面，绿氢是由电解水制成的，而电解水需要电力来生产在此过程中没有碳排放，但制氢的经济成本很高，目前仅占制氢总量的不到2%

控制技术复杂、成本高。对比传统燃油车、混合动力汽车、在纯电动汽车中，氢燃料电池的控制参数更多，控制技术更复杂。车上的氢-电堆的价格是普通储能电池的几倍，整车价格也比同档次电动车高几倍。

氢燃料电池的原料通常只有氢气和氧气，可以持续发电，排放物只有水，不会对环境造成任何污染它属于第四代最稳定的发电技术，是真正的清洁能源。同时，氢的能量密度大约是汽油的三倍，氢-电反应器的能量转换效率甚至高达60%~80%普通汽油内燃机的热能利用率只有25%大约，氢燃料的能量转换效率是传统内燃机的两倍以上。另一项实验表明，如果氢燃料爆炸，它产生的热量会减少，火焰会上升得更快，这使它比汽油更安全因此，氢燃料电池已在许多领域中用作电源、清洁能源。

交通领域

氢燃料电池已经应用于公共汽车、汽车等客运。例如，自2003年以来，中国 中国科技部与全球环境基金合作（GEF）和联合国开发计划署（UNDP） 开始在中国组织实施“中国燃料电池客车商业化示范项目”在2008年北京奥运会和2010年上海世博会上，分别有3辆氢能公交车和6辆氢能公交车投入服务和示范运营。在2014年11月的洛杉矶车展上，丰田汽车公司推出了氢燃料电池汽车Mirai未来组合（日语“ 未来” 或“  future”这是世界 第一辆用于商业销售的氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车没有噪音、无污染、采用高功率氢燃料电池发动机代替传统的驱动装置，并增加了储氢系统、氢气入口和H2安全报警装置。

物流领域

因为货车，尤其是重型卡车很重、由于路途遥远，传统的电池技术可能 无法满足这种物流运输车辆的需求。氢燃料电池技术依赖于轻质燃料、燃料加注快、长续航里程和零排放的特点使业界普遍认为氢燃料电池技术适用于物流运输车辆。例如，2016年8月底和12月初，美国尼古拉汽车公司（Nikolai   engine）Nikola One氢燃料电池重型卡车在盐湖城正式公布并展示。基于电力驱动系统，该车使用定制的800V氢燃料电池系统提供电力。叉车广泛应用于物流领域。电动叉车效率很高、低噪音和无排放在工作中得到广泛应用，尤其是在冷链存储领域。

船舶领域

为了实现船舶零碳零污染，多种零碳船舶动力技术路线应运而生，其中氢燃料电池无排放、无污染，电池寿命长等优点，用在舰船上有独特的优势。氢燃料电池在船舶领域的应用可以追溯到2000年6月，Hydra可搭载22名乘客（船）在德国开始示范运营。这艘船的想法是由克里斯蒂安 马赫在1999年提出的。九头蛇也得到了劳埃德 即使温度低于冰点，其氢燃料电池系统也可以启动。

其他领域

飞机中的氢燃料电池、无人机、摩托车和自行车也用于其他领域。2003年，首架由氢燃料电池驱动的螺旋桨飞机试飞。2008年2月，波音公司及其欧洲合作伙伴成功测试了一架载人氢燃料电池飞机。2016年12月，由德国航天中心(German space center)HY4参与了成功飞行，这是世界上第一架氢燃料电池客机。

2009年，美国海军研究实验室的 无人机使用氢燃料电池无人机飞行了23小时17分钟。2011年，有报道称波音公司已经完成了一款名为Phanton Eye的机型（幽灵之眼）的无人机的行试。

2005年，英国公司Intelligent Energy生产了一款以氢为动力的摩托车ENV，最高时速可达80 公里小时/ h，行驶里程160公里。2004年，一些制造商还将氢燃料电池应用于自行车和踏板车。