氫燃料電池

特點(diǎn)

無(wú)污染

       燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲(chǔ)能（蓄電池）方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會(huì)釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過(guò)可再生能源產(chǎn)生的（光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等），整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過(guò)程。

無(wú)噪聲

       燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對(duì)噪聲有限制的地方。

高效率

       燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上，這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，不需要經(jīng)過(guò)熱能和機(jī)械能（發(fā)電機(jī)）的中間變換。

區(qū)別

       干電池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置，是把電能貯存起來(lái)，需要時(shí)再釋放出來(lái)；而氫燃料電池嚴(yán)格地說(shuō)是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面，還要對(duì)電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。

應(yīng)用領(lǐng)域

航天領(lǐng)域

       20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。

       大型電站，無(wú)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(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷，這就會(huì)導(dǎo)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(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)消耗大量的能源和排放大量的有害物質(zhì)。而使用氫燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%～80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

       氫的化學(xué)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(huì)分解，并把所吸收的氫釋放出來(lái)，這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。

汽車應(yīng)用

       20輛中國(guó)自主研制的氫燃料電池轎車在同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式，它們將在奧運(yùn)會(huì)中投入運(yùn)營(yíng)。這20輛氫燃料電池轎車是基于大眾帕薩特領(lǐng)馭車型，通過(guò)改制和集成最新一代燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)而成功研發(fā)出來(lái)的。它們以氫氣為能源，經(jīng)氫氧化學(xué)反應(yīng)生成水，真正實(shí)現(xiàn)零污染。氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多公里，時(shí)速達(dá)每小時(shí)140~150公里。氫燃料電池轎車比同類型內(nèi)燃機(jī)車重200多公斤，貴5倍以上。

       氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板（負(fù)極），經(jīng)過(guò)催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)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(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%，為內(nèi)燃機(jī)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(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)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(shì)毋庸置疑，劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)。隨著科技的進(jìn)步，曾經(jīng)困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術(shù)等問(wèn)題已經(jīng)逐步攻克并不斷完善，然而成本問(wèn)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(jī)的100倍，這個(gè)價(jià)格是市場(chǎng)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(dá)60千瓦，燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣，大約相當(dāng)于4升93號(hào)汽油。

       英國(guó)政府將大力發(fā)展氫燃料電池汽車，計(jì)劃在2030年之前使英國(guó)氫燃料電池車保有量達(dá)到160萬(wàn)輛，并在2050年之前使其市場(chǎng)占有率達(dá)到30%-50%。政府將從2015年起實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車本土化生產(chǎn)，并自行研發(fā)相關(guān)技術(shù)，另外還將建設(shè)氫燃料補(bǔ)給站。

       目前豐田汽車公司已經(jīng)將燃料電池的成本大幅降低,整車價(jià)格控制在6.9萬(wàn)美元(40萬(wàn)人民幣),可提供100KW動(dòng)力輸出,續(xù)航能力達(dá)到700公里.并將在北美和日本本土上市,上市時(shí)間為2015年上半年.[4]

飛機(jī)應(yīng)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(yùn)作原理（如圖1），也就是電池含有陰陽(yáng)兩個(gè)電極，分別充滿電解液，而兩個(gè)電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成。氫氣由燃料電池的陽(yáng)極進(jìn)入，氧氣（或空氣）則由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)由催化劑的作用，使得陽(yáng)極的氫分子分解成兩個(gè)質(zhì)子（proton）與兩個(gè)電子（electron），其中質(zhì)子被氧‘吸引"到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑之作用下，質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子，因此水可說(shuō)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(lái)自于水的電解所產(chǎn)生的氫氣及任何的碳?xì)浠衔?，例如天然氣、甲醇、乙醇（酒精）、沼氣等等。由于燃料電池是?jīng)由利用氫及氧的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流及水，不但完全無(wú)污染，也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時(shí)的問(wèn)題，是目前最具發(fā)展前景的新能源方式，如能普及并應(yīng)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(yīng)。

       時(shí)速百公里

       波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次，預(yù)示航空工業(yè)未來(lái)更加環(huán)保。但波音承認(rèn)，這一技術(shù)不太可能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?/p>

       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(jìn)行試飛氫燃料電池飛機(jī)，成功試飛具有歷史意義。小型飛機(jī)起飛及爬升過(guò)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(jī)切斷傳統(tǒng)電池電源，只靠氫燃料電池提供動(dòng)力。飛機(jī)在1000米高空飛行了約20分鐘，時(shí)速約100公里。這一技術(shù)對(duì)波音公司意義重大，也讓航空工業(yè)的未來(lái)“充滿綠色希望”。

       小型飛機(jī)由奧地利“鉆石”（Diamond）雙座螺旋槳?jiǎng)恿铏C(jī)改裝而成，飛機(jī)內(nèi)安裝了質(zhì)子交換膜燃料電池和鋰離子電池。小型飛機(jī)翼展16.3米，機(jī)身長(zhǎng)6.5米，重約800公斤，可容納兩人。試飛過(guò)程中，機(jī)上只有飛行員一人。

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

       波音的氫燃料電池飛機(jī)帶來(lái)技術(shù)突破，但“波音（歐洲）研究與技術(shù)”部稱，。這一技術(shù)可能為大型飛機(jī)提供輔助動(dòng)力，但這需要技術(shù)突破。

       技術(shù)局限性

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

       波音的氫燃料電池飛機(jī)帶來(lái)技術(shù)突破，但波音（歐洲）研究與技術(shù)部負(fù)責(zé)人埃斯卡蒂說(shuō)，氫燃料電池可以為小型飛機(jī)提供飛行動(dòng)力，但不能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?/p>

       波音公司負(fù)責(zé)試飛工作的工程師涅韋斯·拉佩納說(shuō)，這一技術(shù)可能為大型飛機(jī)提供輔助動(dòng)力，但這需要技術(shù)突破。波音公司說(shuō)，將繼續(xù)開(kāi)發(fā)氫燃料電池的潛力，以改善環(huán)境。

       國(guó)際能源機(jī)構(gòu)說(shuō)，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(chǎn)生溫室氣體的能源消耗。

發(fā)展現(xiàn)狀

       據(jù)儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)獲悉，作為真正意義上“零排放”的清潔能源，氫燃料電池在發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用正在提速。日本將于2015年前建成100座加氫站，已建成13座，歐盟在近期通過(guò)了增加燃料電池巴士項(xiàng)目；現(xiàn)代汽車ix35燃料電池車批產(chǎn)型號(hào)已于2012年3月下線，并計(jì)劃2015年起大批量生產(chǎn)。這表明燃料電池已從實(shí)驗(yàn)室真正走向產(chǎn)業(yè)化，與鋰電池相比，它更具有零污染優(yōu)勢(shì)。

       美國(guó)能源部在對(duì)外表示，韓國(guó)汽車制造商現(xiàn)代汽車、德國(guó)汽車制造商奔馳、日本車企日產(chǎn)汽車和豐田汽車已經(jīng)與該部門達(dá)成了協(xié)議，將準(zhǔn)備推出首輪氫動(dòng)力汽車。這一公共部門與私人企業(yè)合作模式將會(huì)把關(guān)注的重點(diǎn)放在氫能源基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建上，且將會(huì)把這個(gè)命名為H2USA。

       韓國(guó)現(xiàn)代汽車在蔚山工廠舉行了氫燃料電池電動(dòng)車量產(chǎn)儀式，從本月末起將正式生產(chǎn)途勝ix氫燃料電池電動(dòng)車。

       在歐洲層面上，荷蘭、丹麥、瑞典、法國(guó)、英國(guó)與德國(guó)六國(guó)已經(jīng)達(dá)成共同開(kāi)發(fā)推廣氫能源汽車的協(xié)議，各國(guó)將一同建設(shè)一個(gè)歐洲氫氣設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)調(diào)能源傳輸。

       英國(guó)政府提出，將大力發(fā)展氫燃料電池汽車，其計(jì)劃2030年之前英國(guó)氫燃料電池車保有量達(dá)到160萬(wàn)輛，并在2050年之前使其市場(chǎng)占有率達(dá)到30%-50%。

       我國(guó)首輛氫燃料電池電動(dòng)機(jī)車歷時(shí)四年終于研制成功，可以用于工業(yè)領(lǐng)域，比如礦山牽引車。另外，08年奧運(yùn)會(huì)期間我國(guó)自主研制的20輛氫燃料電池轎車投入運(yùn)營(yíng)，為首批獲得國(guó)家上路許可證的燃料電池汽車，同濟(jì)大學(xué)參與研制。

       2010年6月30日，山東東岳集團(tuán)向全世界宣告，中國(guó)自主研發(fā)的氯堿用全氟離子膜、燃料電池膜實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。歷經(jīng)8年科研攻關(guān)，打破了美國(guó)、日本長(zhǎng)期對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷。與此同時(shí)，“東岳”完成的用于制造燃料電池核心材料磺酸樹(shù)脂離子膜的年產(chǎn)500噸的生產(chǎn)裝置已經(jīng)建成投產(chǎn)，解決了氫燃料電池生產(chǎn)的重大瓶頸，中國(guó)由此成為世界上第二個(gè)擁有該項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化能力的國(guó)家。

       日本電子零件商羅姆與AquaFairy和京都大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的“高能氫燃料電池”，預(yù)定將于明年春季正式上市。這種新型電池是通過(guò)氫化鈣和水之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，一塊體積不到3立方厘米的燃料電池可以產(chǎn)生5瓦時(shí)的電力?？蓮V泛用于包括智能手機(jī)在內(nèi)的多種電子設(shè)備，或是在緊急情況下提供后備電力供應(yīng)。

       新催化劑讓燃料電池成本大降

       2022年4月25日消息，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種氫燃料電池，它使用的催化劑由鐵而非稀有昂貴的鉑制成，降低了氫燃料電池的成本。

       2022年12月，中石化茂名石化氫燃料電池供氫裝置產(chǎn)出合格的99.999%高純氫。該項(xiàng)目日產(chǎn)氫能力達(dá)6400公斤，每年可向社會(huì)供應(yīng)高純氫2100噸。

與鋰電池區(qū)別

       氫燃料電池與鋰電池在多個(gè)方面存在顯著區(qū)別，以下是對(duì)這兩種電池技術(shù)的詳細(xì)比較：

一、工作原理

       氫燃料電池：采用氫氣和氧氣之間的氧化還原反應(yīng)來(lái)生成電能。氫氣在陽(yáng)極與電解質(zhì)反應(yīng)，釋放出電子并通過(guò)外部負(fù)載到達(dá)陰極，與氧氣結(jié)合生成水。這一過(guò)程中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高效率、零排放的特點(diǎn)。

       鋰電池：依賴于鋰離子在正極和負(fù)極之間的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。充電時(shí)，鋰原子在正極產(chǎn)生鋰離子和電子，鋰離子經(jīng)電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極并與電子結(jié)合；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極釋放并移動(dòng)回正極，釋放能量供電。

二、能量密度

       氫燃料電池：雖然相對(duì)于鋰電池而言，氫燃料電池的能量密度較低，但相對(duì)于傳統(tǒng)化石燃料仍具備優(yōu)勢(shì)。目前氫燃料電池的能量密度能達(dá)到較高水平，但受限于氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸條件。

       鋰電池：具有較高的能量密度，是目前商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的電池技術(shù)之一。例如，商業(yè)化的鋰電池能量密度可達(dá)到180-260 Wh/kg，使得鋰電池在移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

三、充電/加氫時(shí)間

       氫燃料電池：加氫時(shí)間非?？?，通常在3-5分鐘內(nèi)可以完成，與傳統(tǒng)燃油車的加油時(shí)間相當(dāng)。

       鋰電池：充電時(shí)間依賴于電池容量和充電器的輸出功率，通常在3到8小時(shí)之間。快速充電技術(shù)可以縮短充電時(shí)間，但可能會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。 

四、可再生性與環(huán)保性

       氫燃料電池：氫氣作為燃料，其燃燒產(chǎn)物僅為水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。此外，氫氣可通過(guò)可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）進(jìn)行電解水制取，具有可再生性。

       鋰電池：依賴于有限的鋰資源，其開(kāi)采和回收過(guò)程可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。盡管鋰電池的生產(chǎn)和處置需要嚴(yán)格的環(huán)境管理措施，但其環(huán)保性仍受到鋰資源有限性的制約。

五、成本與基礎(chǔ)設(shè)施

       氫燃料電池：目前面臨高昂的成本問(wèn)題，包括氫氣產(chǎn)生、儲(chǔ)存和供應(yīng)方面的費(fèi)用。此外，氫燃料電池需要大規(guī)模的加氫基礎(chǔ)設(shè)施支持。 

       鋰電池：作為成熟技術(shù)，鋰電池的成本相對(duì)較低且已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)。同時(shí)，鋰電池依賴于廣泛的充電網(wǎng)絡(luò)支持，這一基礎(chǔ)設(shè)施在全球范圍內(nèi)已較為完善。

六、安全性

       氫燃料電池和鋰電池在安全性方面都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試。氫燃料電池的安全隱患主要來(lái)自于氫氣的泄露與控制（物理層面），而鋰電池的安全隱患則主要來(lái)自于不易控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（化學(xué)層面）。

       綜上所述，氫燃料電池與鋰電池在工作原理、能量密度、充電/加氫時(shí)間、可再生性與環(huán)保性、成本與基礎(chǔ)設(shè)施以及安全性等方面存在顯著差異。選擇哪種電池技術(shù)取決于具體的應(yīng)用需求、成本考慮、環(huán)保要求以及基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，這兩種電池技術(shù)有望在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。