氢燃料电池

特点

无污染

       燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

无噪声

       燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。

高效率

       燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。

区别

       干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。

应用领域

航天领域

       20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

       大型电站，无论是水电、火电或核电，都是把发出的电送往电网，由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同，电网有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷，这就会导致停电或电压不稳。另外，传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

       氢的化学特性活跃，它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后，形成一种金属氢化物，其中有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度，而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解，并把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。

汽车应用

       20辆中国自主研制的氢燃料电池轿车在同济大学新能源汽车工程中心举行赴京发车仪式，它们将在奥运会中投入运营。这20辆氢燃料电池轿车是基于大众帕萨特领驭车型，通过改制和集成最新一代燃料电池轿车动力系统平台而成功研发出来的。它们以氢气为能源，经氢氧化学反应生成水，真正实现零污染。氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多公里，时速达每小时140~150公里。氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重200多公斤，贵5倍以上。

       氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源！

       氢燃料电池车的优势毋庸置疑，劣势也是显而易见。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。

       据悉，这批氢燃料电池车，最大输出功率高达60千瓦，燃料消耗仅为每百公里1.2公斤氢气，大约相当于4升93号汽油。

       英国政府将大力发展氢燃料电池汽车，计划在2030年之前使英国氢燃料电池车保有量达到160万辆，并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。政府将从2015年起实现氢燃料电池汽车本土化生产，并自行研发相关技术，另外还将建设氢燃料补给站。

       目前丰田汽车公司已经将燃料电池的成本大幅降低,整车价格控制在6.9万美元(40万人民币),可提供100KW动力输出,续航能力达到700公里.并将在北美和日本本土上市,上市时间为2015年上半年.[4]

飞机应用

       工作原理

       燃料电池（FuelCell），是一种发电装置，但不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池正如其名，是继续添加燃料以维持其电力，所需的燃料是“氢”，其之所以被归类为新能源，原因就在此。燃料电池的运作原理（如图1），也就是电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢分子分解成两个质子（proton）与两个电子（electron），其中质子被氧‘吸引"到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的“氢”燃料可以来自于水的电解所产生的氢气及任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇（酒精）、沼气等等。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应，产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及并应用在车辆及其他高污染之发电工具上，将能显著减轻空气污染及温室效应。

       时速百公里

       波音公司于2008年4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。波音公司称这在世界航空史上尚属首次，预示航空工业未来更加环保。但波音承认，这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。

       波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奥卡尼亚镇进行试飞氢燃料电池飞机，成功试飞具有历史意义。小型飞机起飞及爬升过程使用传统电池与氢燃料电池提供的混合电力。爬升至海拔1000米巡航高度后，飞机切断传统电池电源，只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟，时速约100公里。这一技术对波音公司意义重大，也让航空工业的未来“充满绿色希望”。

       小型飞机由奥地利“钻石”（Diamond）双座螺旋桨动力滑翔机改装而成，飞机内安装了质子交换膜燃料电池和锂离子电池。小型飞机翼展16.3米，机身长6.5米，重约800公斤，可容纳两人。试飞过程中，机上只有飞行员一人。

       在机舱内，传统电池安放于唯一的乘客座位上，飞行员背后有一个类似潜水员使用的氧气罐。波音公司说，这架飞机连续飞行时间最长45分钟，“不会产生任何噪音”。氢燃料电池通过氢转化为水的过程产生电流，不产生温室气体。除热量外，水蒸气是氢燃料电池产生的唯一副产品。

       波音的氢燃料电池飞机带来技术突破，但“波音（欧洲）研究与技术”部称，。这一技术可能为大型飞机提供辅助动力，但这需要技术突破。

       技术局限性

       在燃料价格上涨、环境污染与全球变暖的情况下，对更清洁、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增长。

       波音的氢燃料电池飞机带来技术突破，但波音（欧洲）研究与技术部负责人埃斯卡蒂说，氢燃料电池可以为小型飞机提供飞行动力，但不能为大型客机提供主要动力。

       波音公司负责试飞工作的工程师涅韦斯·拉佩纳说，这一技术可能为大型飞机提供辅助动力，但这需要技术突破。波音公司说，将继续开发氢燃料电池的潜力，以改善环境。

       国际能源机构说，推广使用氢气和氢燃料电池，可减少石油、天然气、煤炭这三种可产生温室气体的能源消耗。

发展现状

       据储能国际峰会获悉，作为真正意义上“零排放”的清洁能源，氢燃料电池在发达国家的应用正在提速。日本将于2015年前建成100座加氢站，已建成13座，欧盟在近期通过了增加燃料电池巴士项目；现代汽车ix35燃料电池车批产型号已于2012年3月下线，并计划2015年起大批量生产。这表明燃料电池已从实验室真正走向产业化，与锂电池相比，它更具有零污染优势。

       美国能源部在对外表示，韩国汽车制造商现代汽车、德国汽车制造商奔驰、日本车企日产汽车和丰田汽车已经与该部门达成了协议，将准备推出首轮氢动力汽车。这一公共部门与私人企业合作模式将会把关注的重点放在氢能源基础设施的构建上，且将会把这个命名为H2USA。

       韩国现代汽车在蔚山工厂举行了氢燃料电池电动车量产仪式，从本月末起将正式生产途胜ix氢燃料电池电动车。

       在欧洲层面上，荷兰、丹麦、瑞典、法国、英国与德国六国已经达成共同开发推广氢能源汽车的协议，各国将一同建设一个欧洲氢气设施网络，并协调能源传输。

       英国政府提出，将大力发展氢燃料电池汽车，其计划2030年之前英国氢燃料电池车保有量达到160万辆，并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。

       我国首辆氢燃料电池电动机车历时四年终于研制成功，可以用于工业领域，比如矿山牵引车。另外，08年奥运会期间我国自主研制的20辆氢燃料电池轿车投入运营，为首批获得国家上路许可证的燃料电池汽车，同济大学参与研制。

       2010年6月30日，山东东岳集团向全世界宣告，中国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化。历经8年科研攻关，打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。与此同时，“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500吨的生产装置已经建成投产，解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈，中国由此成为世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。

       日本电子零件商罗姆与AquaFairy和京都大学联合研发的“高能氢燃料电池”，预定将于明年春季正式上市。这种新型电池是通过氢化钙和水之间发生的化学反应产生电力，一块体积不到3立方厘米的燃料电池可以产生5瓦时的电力。可广泛用于包括智能手机在内的多种电子设备，或是在紧急情况下提供后备电力供应。

       新催化剂让燃料电池成本大降

       2022年4月25日消息，英国伦敦帝国理工学院开发出一种氢燃料电池，它使用的催化剂由铁而非稀有昂贵的铂制成，降低了氢燃料电池的成本。

       2022年12月，中石化茂名石化氢燃料电池供氢装置产出合格的99.999%高纯氢。该项目日产氢能力达6400公斤，每年可向社会供应高纯氢2100吨。

与锂电池区别

       氢燃料电池与锂电池在多个方面存在显著区别，以下是对这两种电池技术的详细比较：

一、工作原理

       氢燃料电池：采用氢气和氧气之间的氧化还原反应来生成电能。氢气在阳极与电解质反应，释放出电子并通过外部负载到达阴极，与氧气结合生成水。这一过程中，化学能直接转化为电能，具有高效率、零排放的特点。

       锂电池：依赖于锂离子在正极和负极之间的迁移来实现电能转换。充电时，锂原子在正极产生锂离子和电子，锂离子经电解质移动到负极并与电子结合；放电时，锂离子从负极释放并移动回正极，释放能量供电。

二、能量密度

       氢燃料电池：虽然相对于锂电池而言，氢燃料电池的能量密度较低，但相对于传统化石燃料仍具备优势。目前氢燃料电池的能量密度能达到较高水平，但受限于氢气的储存和运输条件。

       锂电池：具有较高的能量密度，是目前商业化应用最广泛的电池技术之一。例如，商业化的锂电池能量密度可达到180-260 Wh/kg，使得锂电池在移动设备、电动汽车等领域得到广泛应用。

三、充电/加氢时间

       氢燃料电池：加氢时间非常快，通常在3-5分钟内可以完成，与传统燃油车的加油时间相当。

       锂电池：充电时间依赖于电池容量和充电器的输出功率，通常在3到8小时之间。快速充电技术可以缩短充电时间，但可能会对电池寿命产生负面影响。 

四、可再生性与环保性

       氢燃料电池：氢气作为燃料，其燃烧产物仅为水，对环境无污染。此外，氢气可通过可再生能源（如太阳能、风能）进行电解水制取，具有可再生性。

       锂电池：依赖于有限的锂资源，其开采和回收过程可能对环境产生影响。尽管锂电池的生产和处置需要严格的环境管理措施，但其环保性仍受到锂资源有限性的制约。

五、成本与基础设施

       氢燃料电池：目前面临高昂的成本问题，包括氢气产生、储存和供应方面的费用。此外，氢燃料电池需要大规模的加氢基础设施支持。 

       锂电池：作为成熟技术，锂电池的成本相对较低且已经规模化生产。同时，锂电池依赖于广泛的充电网络支持，这一基础设施在全球范围内已较为完善。

六、安全性

       氢燃料电池和锂电池在安全性方面都有严格的标准和测试。氢燃料电池的安全隐患主要来自于氢气的泄露与控制（物理层面），而锂电池的安全隐患则主要来自于不易控制的链式反应（化学层面）。

       综上所述，氢燃料电池与锂电池在工作原理、能量密度、充电/加氢时间、可再生性与环保性、成本与基础设施以及安全性等方面存在显著差异。选择哪种电池技术取决于具体的应用需求、成本考虑、环保要求以及基础设施的可用性。未来随着技术的不断进步和成本的降低，这两种电池技术有望在清洁能源领域发挥更加重要的作用。