氫燃料電池

氫燃料電池（Hydrogen   fuel   battery）它是一種可以在室溫下將氫能轉化為電能的動力裝置該裝置本質上不是儲能電池，而是氫氣-電反應器可以直接將化學能轉化為電能“發電廠”氫燃料電池具有比傳統內燃機更高的能量轉換效率和能量密度的特點，不受卡諾循環的限制因此，它是一種清潔的動力裝置，廣泛應用于交通運輸(小汽車、大巴車、摩托車、自行車)物流運輸(叉車、卡車)船舶、飛機和無人機等領域。

1842年，William Grove實現了氫氧混合發電，并以此為基礎研制出第一個燃料電池，稱為氣體電池。然后，在20世紀60年代，燃料電池首次在美國太空計劃中投入實際應用。燃料電池的興起和商業化發生在21世紀此時，日本豐田汽車公司推出的第一輛燃料電池汽車Mirai未來組合燃料電池銷售模型Clarity以及各種類型的燃料電池無人機正在國際上進行測試。

氫燃料電池根據結構設計方法不同可分為管式和平板式，根據工作溫度也可分為低溫和低溫、中和高溫燃料電池；但無論哪種氫燃料電池，一般都是由電堆和電控輔助系統組成，其工作原理是通過氧化還原反應將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能。未來氫燃料電池將以提高電池性能和壽命為目標，向模塊化系列化方向發展。此外，它還將加強相關配套設施的建設，如制氫、儲氫、加氫等全產業鏈建設，逐步形成網絡化加氫站；并建立和完善相關標準，減少制氫污染、降低制氫能耗。

氫燃料電池以氫氣或富氫氣體為燃料，通過電化學反應在等溫溫度下將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能（直流電）的裝置。當外部電路施加一定的電壓時，水可以分解為氫氣和氧氣；該實驗裝置可以檢測外電路電流表中的一定電流這個過程既是氫燃料電池電化學反應最基本的過程原理，也是電解水的逆過程氫和氧重新結合并在外部電路中產生電流。雖然這個過程與氫氣有關“燃燒”產品是相同的，但與真正的氫燃燒過程不同，燃料電池中的電化學反應直接產生電能，而無需熱機過程，并且沒有“燃燒”火焰”的特征。

氫燃料電池的工作原理如下圖所示電解質將兩個半反應分開，氫離子在電解質中遷移，電子在外電路中定向流動，形成總電路，電路的電流方向與電子的運動方向相反。兩個半反應分別在陽極和陰極進行陰極被氧化劑還原，陽極被還原劑氧化。對于外部電路的正極和負極，根據一次電池的定義，負極是電池的正極，正極是電池的負極。

氫燃料電池的燃料和氧化劑不是儲存在電池中，而是儲存在電池外部的儲罐中（儲氫系統）中。當氫燃料電池工作時（當電流輸出并且做功時）它需要系統不斷向電池輸入燃料（純氫、各種富氫氣體等）和氧化劑（純氧、凈化空氣等氣體）用于同時發電和排出反應產物。

氫燃料電池的關鍵結構包括電堆和電控輔助系統。

電堆：電堆是燃料電池的核心部件，是由多個燃料電池單體串聯或并聯組成的具有一定功率的電池組每個單體電池的電壓總和等于整個電池堆的輸出電壓。在電堆工作過程中，燃料伴隨在電池結構中、對于氧化劑和冷卻劑等流體的輸入和輸出，電堆結構需要完成流體分配和機械密封的功能。此外，作為電力輸出源，電堆通常具有大電流和高電壓，因此電堆需要滿足電絕緣的基本功能。

氫燃料電池堆主要由雙極板組成、膜電極組件、密封墊片、排熱板、集電極、 絕緣板、其中膜電極的結構可以分解為氣體擴散層、催化層、質子交換膜。氫燃料電池的電化學反應發生在膜電極上。

堆疊具有復雜而精細的機械結構電池組由幾組層疊的單體電池組成，加上兩側和最外端板的正極和負極集流體。其中每個單體電池由膜電極組件組成、兩個相鄰的密封件和兩個陽極和陰極單極，陽極和陰極單極的組合可以形成雙極板；堆疊片結構的穩定性由外部緊固螺栓或帶施加的組裝力來維持，并且組裝力施加在端板上端板作為電堆的結構件，需要具有一定的強度和剛度，以保證組裝力在電池平面上的穩定性和均勻分布；每個單體電池串聯連接，并且集電板用作電力輸出端子以將堆電力輸出到外部負載。

雙極板：電池組由多個單體電池堆疊而成，電池之間的連接由極板直接完成 除了電池堆兩端的極板，中間的極板一邊是陽極，另一邊是陰極，所以叫雙極板。雙極板起到電池之間隔離的作用。雙極板設置有用于提供燃料的流動通道（氫氣）和氧化劑（氧氣或空氣）的通道。反應后，剩余的反應氣體和反應產生的水通過雙極板流道從電池中排出。雙極板的兩側都具有流動通道。

膜電極：氫燃料電池是質子交換膜、催化層、集成擴散層被稱為膜電極組件，是燃料電池的核心部件。

質子交換膜：質子膜主要用于隔離陰極、陽極與氣體和電子反應并傳輸氫離子。質子交換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。

為了滿足燃料電池的應用，質子交換膜應滿足以下要求：

質子電導率高，電導率一般為0.1S/cm的數量級；

高化學穩定性和電化學穩定性；

對反應氣體和其他特定燃料的滲透性低；

機械強度和熱穩定性可接受，適用于膜電極的制備和電池組的組裝。

催化層：催化層中催化劑的存在可以加速氫燃料電池內部的化學反應，使氫離子的產生速度加快，其轉移速度也會加快，從而保證電池的供電。電池的催化層是整個電池的核心。氫燃料電池的催化劑需要能夠耐受電解質的腐蝕并具有高催化活性。最早的燃料電池催化劑使用鉑作為主要成分。在質子膜燃料電池領域開發了鉑黑催化劑、Pt/C催化劑、PtM催化劑、非鉑催化劑和非金屬催化劑。

氣體擴散層：氣體擴散層位于膜電極的最外層，并在氫燃料電池中起支撐催化層的作用、導氣排水導流等重要功能。一般來說，氣體擴散層的結構分為兩層，即多孔碳纖維基材和微孔層。多孔碳纖維基材是氣體擴散層的支撐部分。常見的多孔碳纖維基材一般是碳紙和碳纖維布，因為碳紙在厚度上、它在孔徑和機械強度方面具有明顯優勢，已成為氫燃料電池氣體擴散層的主要材料。

集電極、密封墊片、絕緣板：集電板由銅板制成，安裝在電池堆的兩端，即電池堆的電力輸出端。為了防止工作氣體和冷卻液的泄漏，在所有疊放的零件之間要放置密封墊，密封墊要用特殊的橡膠板切割。到2023年底，許多燃料電池已經不使用密封墊片，而是使用燃料電池專用密封劑來粘合堆疊的零件以提高生產效率。絕緣墊圈安裝在集電板和端蓋之間，以防止端蓋帶電。由具有良好絕緣性和一定彈性的合成材料制成。

電控輔助系統：電子控制輔助系統通常包括燃料子系統、空氣子系統、熱管理子系統和系統控制器等燃料子系統、在系統控制器的控制下，空氣子系統和熱管理子系統分別混合燃料、空氣和冷卻劑被引入電池堆的相應空腔中，以為電池堆提供穩定的工作條件電堆的反應性和運行穩定性在很大程度上取決于電堆和輔助系統之間的匹配條件。

供氣系統的部件包括：空氣壓縮機、加濕冷卻器、空氣供應管路、回流管、背壓閥等。當氫燃料電池運行時，空氣壓縮機對環境空氣加壓并將其送到加濕冷卻器，在那里加濕和冷卻，然后通過供氣管道將其送到電堆的陰極氣體流場，未完全反應的多余氣體通過回流管和背壓閥排放到大氣中。

熱管理子系統根據散熱方式的不同可以分為多種類型，其中氫燃料電池系統最常用的冷卻方式是水冷。水冷熱管理系統的組件主要包括：冷卻水泵、節溫器、散熱器、加熱器、冷卻水箱、冷卻液管路等。當氫燃料電池冷啟動時，加熱器將快速加熱冷卻水以滿足電堆的溫度需求并加快化學反應速率；當氫燃料電池的負載功率過大而無法產生更多熱量時，冷卻劑流經電堆內部以帶走多余的廢熱，從而降低電堆的溫度。

氫燃料電池的分類與燃料電池完全相同，可以基于不同的結構設計方法、工作溫度的不同、通過使用不同電解質和不同支持方法等多個維度進行分類。

根據所用電解液的不同點：氫燃料電池根據使用的電解質不同分為堿性燃料電池（Alkaline   fuel   battery, AFC）質子交換膜燃料電池（Proton   Exchange   Membrane   Fuel   Battery, PEMFC）磷酸燃料電池（PAFC phosphoric acid   acid   fuel   battery）熔融碳酸鹽燃料電池（Molten   carbonate   fuel   battery, MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC solid   oxide   fuel   battery）下表詳細描述了不同電解質燃料電池的導電離子、工作溫度、燃料、氧化劑、催化劑、系統發電效率、性能特征和通用字段。

根據結構設計方法的不同點：根據不同的結構設計方法，氫燃料電池可分為管式和平板式。管狀電池的結構特征是一側的底部是密封的，而另一側由開口管制成。從內到外，有多孔結構管起支撐作用、陰極、電解質和陽極。管狀結構的氫燃料電池無需高溫密封即可隔離正負極中的流體，連續穩定運行、優異的熱循環性能等。

然而，管狀結構也有許多局限性，例如電流路徑長以及相關組件的電導率低，因此其輸出功率密度明顯低于扁平結構。此外，平板結構相對簡單，關鍵部件的制備工藝不復雜且原料便宜，在大規模生產中容易實現商業化。然而，平板氫燃料電池也受到密封困難和機械性能弱的限制。

根據不同的工作溫度：根據運行溫度，氫燃料電池可分為低溫型、中和高溫燃料電池。低溫燃料電池的工作溫度通常低于100℃，中溫燃料電池的工作溫度通常為100 ~ 300℃，高溫燃料電池的工作溫度通常為600 ~ 1000℃。

根據支持模式的不同點：在制備單電池時，可以根據不同的應用場景和對機械性能的要求，選擇多孔介質或氫燃料電池的任何關鍵部件作為支撐結構。根據作為支撐結構的任何關鍵部件的不同，它可以分為陽極支撐、電解質支撐和陰極支撐的氫燃料電池。

優點

效率更高。氫燃料電池直接將化學能轉化為電能，其熱電效率理論上可達85%~90%然而，由于電化學反應中極化的限制，燃料電池的能量轉換效率為40%～60%的范圍內。然而，如果實現熱電聯產，燃料的總利用率可高達80%以上，它比傳統內燃機的工作效率要高得多。

環境友好。以純氫作為氫燃料電池的燃料時，反應產物只有水，不會產生其他污染物而且，氫燃料電池發電沒有熱機的燃燒過程，因此幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，從而減少了對大氣的污染。

能源安全。氫燃料電池使用氫作為燃料。雖然氫在自然界中不以游離形式存在，但可以使用現有的能源（可再生能源、核能、生物能、煤，或者天然氣）它是通過水電解法或烴重整制得的。這可以大大減少對石油能源的依賴。

結構簡單、噪音低。氫燃料電池具有簡單的結構、緊湊，系統不需要太多的輔助部件。安靜工作，低噪音。可靠性高。在氫燃料電池中，運動部件很少，可靠性高，可用于特殊場合，如應急電源或不間斷電源。

兼容性好、規模可調節。氫燃料電池具有傳統電池的構建模塊特性，可用于串聯多個電池、對外并聯供電，也可作為各種規格的分布式電源和移動電源。通過改變單個電池的數量或電池之間的連接方式（串聯或者并聯）調整刻度以向外部提供所需的電源刻度。

缺點

氫氣的制備成本和運輸成本太高。根據氫氣的制造方法不同，分為灰氫、藍氫和綠氫。煤灰氫是在煤炭冶煉和工業生產過程中產生的制氫工藝簡單，生產成本低，約占總產氫量的80%但是在生產過程中會產生大量的二氧化碳（CO2）等溫室氣體排放。藍色氫氣由天然氣通過蒸汽重整制得，在此過程中會捕獲溫室氣體，從而減少對環境的影響。另一方面，綠氫是由電解水制成的，而電解水需要電力來生產在此過程中沒有碳排放，但制氫的經濟成本很高，目前僅占制氫總量的不到2%

控制技術復雜、成本高。對比傳統燃油車、混合動力汽車、在純電動汽車中，氫燃料電池的控制參數更多，控制技術更復雜。車上的氫-電堆的價格是普通儲能電池的幾倍，整車價格也比同檔次電動車高幾倍。

氫燃料電池的原料通常只有氫氣和氧氣，可以持續發電，排放物只有水，不會對環境造成任何污染它屬于第四代最穩定的發電技術，是真正的清潔能源。同時，氫的能量密度大約是汽油的三倍，氫-電反應器的能量轉換效率甚至高達60%~80%普通汽油內燃機的熱能利用率只有25%大約，氫燃料的能量轉換效率是傳統內燃機的兩倍以上。另一項實驗表明，如果氫燃料爆炸，它產生的熱量會減少，火焰會上升得更快，這使它比汽油更安全因此，氫燃料電池已在許多領域中用作電源、清潔能源。

交通領域

氫燃料電池已經應用于公共汽車、汽車等客運。例如，自2003年以來，中國 中國科技部與全球環境基金合作（GEF）和聯合國開發計劃署（UNDP） 開始在中國組織實施“中國燃料電池客車商業化示范項目”在2008年北京奧運會和2010年上海世博會上，分別有3輛氫能公交車和6輛氫能公交車投入服務和示范運營。在2014年11月的洛杉磯車展上，豐田汽車公司推出了氫燃料電池汽車Mirai未來組合（日語“ 未來” 或“  future”這是世界 第一輛用于商業銷售的氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車沒有噪音、無污染、采用高功率氫燃料電池發動機代替傳統的驅動裝置，并增加了儲氫系統、氫氣入口和H2安全報警裝置。

物流領域

因為貨車，尤其是重型卡車很重、由于路途遙遠，傳統的電池技術可能 無法滿足這種物流運輸車輛的需求。氫燃料電池技術依賴于輕質燃料、燃料加注快、長續航里程和零排放的特點使業界普遍認為氫燃料電池技術適用于物流運輸車輛。例如，2016年8月底和12月初，美國尼古拉汽車公司（Nikolai   engine）Nikola One氫燃料電池重型卡車在鹽湖城正式公布并展示。基于電力驅動系統，該車使用定制的800V氫燃料電池系統提供電力。叉車廣泛應用于物流領域。電動叉車效率很高、低噪音和無排放在工作中得到廣泛應用，尤其是在冷鏈存儲領域。

船舶領域

為了實現船舶零碳零污染，多種零碳船舶動力技術路線應運而生，其中氫燃料電池無排放、無污染，電池壽命長等優點，用在艦船上有獨特的優勢。氫燃料電池在船舶領域的應用可以追溯到2000年6月，Hydra可搭載22名乘客（船）在德國開始示范運營。這艘船的想法是由克里斯蒂安 馬赫在1999年提出的。九頭蛇也得到了勞埃德 即使溫度低于冰點，其氫燃料電池系統也可以啟動。

其他領域

飛機中的氫燃料電池、無人機、摩托車和自行車也用于其他領域。2003年，首架由氫燃料電池驅動的螺旋槳飛機試飛。2008年2月，波音公司及其歐洲合作伙伴成功測試了一架載人氫燃料電池飛機。2016年12月，由德國航天中心(German space center)HY4參與了成功飛行，這是世界上第一架氫燃料電池客機。

2009年，美國海軍研究實驗室的 無人機使用氫燃料電池無人機飛行了23小時17分鐘。2011年，有報道稱波音公司已經完成了一款名為Phanton Eye的機型（幽靈之眼）的無人機的行試。

2005年，英國公司Intelligent Energy生產了一款以氫為動力的摩托車ENV，最高時速可達80 公里小時/ h，行駛里程160公里。2004年，一些制造商還將氫燃料電池應用于自行車和踏板車。