氢燃料电池基本原理

大家好，小科来为大家解答以上问题。氢燃料电池基本原理这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

解答：

1、 燃料电池汽车(FCV)不仅可以完全替代燃料，而且具有“零排放”、能量转换效率高、燃料来源多样、可再生能源灵活等优点。因此，它被认为是未来实现汽车工业可持续发展的重要方向之一，是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。

2、 氢燃料电池基本原理

3、 氢燃料电池是一种利用氢作为化学元素储存能量的电池。它的基本原理是电解水的逆反应。氢气和氧气分别供给阳极和阴极。氢气通过阳极向外扩散并与电解质反应后，释放的电子通过外部负载到达阴极。

4、 燃料电池车的工作原理是：氢气被送到燃料电池的阳极板(阴极)。在催化剂(铂)的作用下，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，到达燃料电池的阴极板(阳极)。但是电子不能穿过质子交换膜，这个电子只能通过外电路到达燃料电池的阴极板，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形成水。

5、 由于供应给阴极板的氧气可以从空气中获得，只要阴极板持续供应氧气和空气，并及时带走水(蒸汽)，就可以持续供应电能。燃料电池产生的电能通过逆变器、控制器等器件向电机供电，再通过传动系统和驱动桥驱动车轮转动。

6、 与传统汽车相比，燃料电池汽车的能量转换效率高达60%~80%，是内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢气和氧气，产品是清洁的水。它不会产生一氧化碳和二氧化碳，也不会消除硫和颗粒。因此。氢燃料电池汽车具有真正意义上的零排放、零污染，是完美的汽车能源。

7、 氢电池汽车的优缺点毋庸置疑。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池汽车发展的问题，如氢燃料的安全性和储存技术等，都逐渐被克服和改善。然而，成本问题仍然是阻碍氢燃料电池汽车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场无法承受的。

8、 氢气制备技术

9、 目前制氢的方法很多，但常用的仍然是煤制氢、天然气制氢、电解水和页岩气制氢。其中，美国廉价页岩气制氢的成本控制相对较好。欧洲、挪威、瑞典等国家利用风能、太阳能制氢，日本蓝色能源公司利用生物制氢。

10、 风能和太阳能制氢虽然不能普及，但因为氢气比电池保质期长，挪威、瑞典等欧洲国家都是季节性储存氢气，比如选择风和日丽的季节制氢，以备不时之需。当然，许多国家利用核能生产氢气。俄罗斯和其他资源丰富的国家将电解水产生氢气，并储存起来用于出口。

11、 炼油厂和钢厂也会产生大量的氢气，在产能充足的时候会出售。

12、 纯度最高的方法是电解水制氢，这是一种完全清洁的制氢方法，工艺流程简单。根据电解槽生产技术的不同，电解水制氢的方法可分为碱性电解法、固体聚合物电解质电解法和高温固体氧化物电解法。

13、 1.碱性电解

14、 在碱性电解领域，在工作温度(70~80)下广泛应用于工业。c)使用高电导率的高浓度氢氧化钾溶液(25%~30%水溶液)作为电解液。电极采用耐碱材料，如铁、镍、镍合金，电极反应过电压小。在th下面

15、 SPE中的固体聚合物膜充当固体电解质，用于隔离电极并将质子从阳极转移到阴极。因此，在SPE中只需要供应纯水。对于实际的SPE水电解制氢系统，工作温度为80左右，电解电压为1.5~1.6V，对应的电耗为3.6~3.8kW-h，电解效率为77。6%~82%，制氢系统总效率约为35%。SPE中使用的固体聚合物膜多为全氟磺酸膜，遇水浸泡时酸性较强。为了兼顾耐酸性和催化活性，通常将铂贵金属添加到电极中，并且膜本身是昂贵的，因为

16、 降低这种SPE的成本是当前的一个重要问题。SPE可以实现高电流密度电解，功耗低，系统紧凑，产品纯度高，易于实现高电压。更适用于电能来源丰富、价格低廉的场合，尤其适用于水力、风力、太阳能等可再生能源。

17、 3.高温固体氧化物电解(SOEC)

18、 SOEC使用氧化钇掺杂的氧化锆陶瓷作为固体电解质。高温水蒸汽通过阴极板时，离解成氢离子和氧离子。通过阴极板和电解质后，氧离子到达阳极，在那里失去电子产生氧气。SOEC工作在800~950C，可以大大提高反应功率，降低功耗。电解效率在90%以上，总制氢系统效率可达52%~59%。这种方法性能优良，但由于在高温(1000C)下工作时材料损耗大，且有优质水蒸气的持续供应，在目前的技术条件下难以规模化。

19、 目前电解水制氢存在的主要问题是能耗高、效率低。关键的技术突破应该集中在降低设备成本，提高电解槽的能源效率，以及如何建立一个集中的大规模生产系统。

20、 氢气储存技术

21、 氢的输送方式一般有四种：高压氢、液氢、甲基环己烷MCH氨。

22、 高压氢是常用的氢罐，日本提供700大气压的氢罐。加氢站如果异地运输一般用高压氢气。氢气适合长距离运输。比如川崎重工可以把液体损耗降到0.05%，用大船运输。环己烷是日本金田提出的技术。它通过氢气和有机物反应生成氯化物，可以在一个大气压下运输，甚至可以放入矿泉水瓶中。这种情况也适合长途运输，在资源丰富的国家生产氯气后就可以运输。运输到目的地后，用特殊催化剂再次提取。

23、 hygride还提出了液态运输氢气的方法，采用将氢气转化为氨进行运输，然后提取的方法。

24、 与其他燃料相比，氢气的质量能量密度较高，但体积能量密度较低(是汽油的1/3000)。因此，构建氢能储存系统的前提是以较高的体积能量密度储存和运输氧气。尤其是氢气应用于交通运输领域时，还需要更高的质量密度。另外，基于氢气的燃烧值，将氢气储运消耗的能量控制在氢气燃烧热的10%以内，是比较理想的状态。目前储氢可分为高压气态储氢、低温液态储氢和金属固态储氢。

25、 1.高压储存氢

26、 高压气态储氢是最常见、最直接的储氢方式。储存在高压容器中的氢气量与压力成正比。目前国内外都采用25~35MPa压力的碳纤维复合材料钢瓶进行储运。氢气密度在35MPa时约为23kg/m3，70MPa时约为38kg/m3，储氢瓶的质量储氢密度仅为5%(35MPa)。此外，氢气压缩是一个耗能的过程。如果使用更高压力的罐，例如70MPa，压缩过程需要大量能量，这增加了总成本(烯

27、 液态氢的体积可以缩小到气态氢的1/800左右，大大提高了体积能量密度。而氢气的沸点是-253，氢气液化所需的能量是氢气燃烧热的1/3，也就是每干克氢气120MJ。而且储存温度与室温相差200，氢气蒸发潜热低，液氢会蒸发逸出，损失率每天可达1%~2%。所以液氢储存不适合间歇性使用，比如汽车。但适用于大规模、高密度储氢，如可再生能源储氢系统。储罐越大，气体蒸发比越小，具有优良的保温装置。但是，在未来，有必要取得进展，以减少液化过程中的能源消耗，提高液化效率。

28、 3.金属固体储氢

29、 氢也能与许多金属或合金结合形成金属氢化物。在一定温度的压力下，金属可以吸收大量的氢生成固体金属氢化物，如LaNi5H6、MgH2、NaAlH4等。反应具有很好的可逆性，适当提高温度或降低压力都可以释放出氢气。其中德国的H2YDROSOL公司选择了这种金属氢化物固态储氢技术。

30、 固态储氢具有安全、能量密度和体积密度高、运输方便、类型多样等特点，可以满足储氢环境的各种要求，是一种很好的储氢配方。根据氢与材料的作用原理，可分为化学吸附储氢和物理吸附储氢。在化学吸附储氢材料中，氢与材料发生反应，以原子和离子的形式储存在材料中。储氢的物理吸附是通过范德华力以氢分子的形式吸附在材料的表面和骨架上。

31、 一般行驶400公里需要12干克汽油，折算的氢能量是4公斤氢气。下图是四个干克氢气以三种方式储存的体积对比图。显然，固态储氢的体积密度是三种储氢方式中最高的。从车辆空间设计和运行成本来看，固体储氢材料可以更好地满足车载电源对电池材料体积和重量的要求。相比气态储氢的高压和液态储氢的超低温，固态储氢对温度和压力的要求相对宽松。同时，固体储氢具有安全、体积和质量密度高的优点，是一种很好的储氢方式。

32、 固体储氢的能耗约为压缩(70MPa)的一半，液化的1/5，体积能量密度约为压缩液化的3倍。但质量能量密度低，金属氢化物储罐重量约为汽油罐的4倍，限制了其运输。镧和锂等材料可以改善重量问题，但价格昂贵。而且金属氢化物容易发生材料中毒，导致储氢量下降。目前还没有将金属固态储氢技术应用到汽车上的案例。

33、 氢发电技术

34、 与传统化石燃料一样，氢气也可以用于氢内燃机(ICE)发电。但由于燃料电池可以直接将氢气的化学能转化为电能，不需要像普通火力发电机那样改变锅炉、汽轮机和发电机的能源形式，可以避免中间转化的损失，实现高发电效率，更加高效环保，因此更具实用性。

35、 1.燃料电池的分类

36、 碱性燃料电池(AFC，100C)、固体聚合物质子交换膜电池(PEMFC，100C以内)和磷酸燃料电池(PAFC，200C)根据其不同的工作温度被称为低温燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，650摄氏度)和固体氧化燃料电池(SOFC，1000摄氏度)被称为高温燃料电池。

37、 在可再生能源氢能储存的应用中，以纯氢为燃料的固体聚合物质子交换膜燃料电池(PEMFC)受到关注。它具有高p值的优点

38、 3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导风板到达负极。在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子反应生成水，阴极反应为：1/2O222eH20。

39、 总的化学反应是：H21/2O2=H2O。

40、 在外部电路中形成直流电。因此，只要氢气和氧气被连续供应到燃料电池的阳极和阴极，电能就可以被连续输出到外部电路的负载。

41、 3.PEMFC心脏膜电极技术

42、 MEA作为PEMFC的心脏，是决定整个FEMFG系统性能的关键因素之一。它是PEMFG进行电化学反应的地方。MEA由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。以Nafion115质子交换膜为例。NIEA的结构如下图所示。

43、 MEA工作时，质子、电子、气体和水同时在电极中传递，如下图所示。

44、 质子(H)主要依靠电催化层中的质子导体(Nafion)，在膜中从阳极转移到阴极。电子在电催化层中的传输主要依靠导电的Pt/C电催化剂，通过气体扩散层到达外电路；气体从多孔扩散层到达电催化层，在电催化层的孔隙中扩散：水的传输伴随着气体的流动，使用PTFE等疏水剂也有助于水的及时排出。

45、 经过多年的研究，人们对MEA的结构特征已经有了共识，它不同于其他电子器件中的气体扩散电极。它的电解质是固体离子离聚物，而不是电解质溶液。因此，电解液无法借助溶液的表面张力渗透到多孔电极中形成三维反应区。为了使反应气体通过离子聚合物到达电催化剂表面，催化层中离子聚合物与电催化剂颗粒的接触面积应尽可能扩大，即扩大三维反应区间，形成质子、电子和反应气体的连续通道。只有这样，才能充分提高催化剂的利用率，减少各种传输过程的阻力。MEA的工作性能是决定PEMFC性能的关键。

46、 影响质子交换膜燃料电池性能的三个关键因素是质子交换膜、电催化剂和膜电极。高性能质子交换膜技术被国外厂商垄断，价格昂贵；用作电催化剂的铂价格昂贵，近年来的研究明显降低了膜电极上的铂负载量。电极是影响PEMFC性能、能量密度分布和工作寿命的关键因素，对其制备工艺和结构优化的研究最为关键。

47、 燃料电池需要形成电堆才能大规模发电。因此，有必要开发高均匀性的堆技术，以形成大容量的联合循环发电系统。同时，燃料电池发电系统通常需要配备辅助储能环节，以弥补燃料电池动态响应的不足。当燃料电池产生的DC通过变流器转换为交流，电池接入系统运行时，需要进一步研究交流波形、高次谐波、故障分析和保护，采取特殊措施稳定并网。

48、 氢电池技术和锂电池技术何去何从？

49、 锂电池技术在目前的新能源汽车中占据主流地位，其中特斯拉和蔚来汽车最具代表性，即锂电池技术及相关轮毂电机驱动技术等。没有太多的专利壁垒。尤其是在电池成本开始大幅降低的今天，很多厂商可以像智能手机行业一样直接享受上游成熟产业带来的优势，快速打造新能源汽车品牌。即使手机电池每天都要充电，也可以很容易地从图纸变成真正的汽车进行批量生产和销售。选择氢燃料电池技术路线的车企屈指可数，除了丰田，只有宝马(Hydrogen7)、现代等少数几家

50、 另一方面，国家“十三五”规划明确了到2030年燃料电池汽车的应用和发展。但仅2017年，氢燃料电池投资项目就达到1000多亿，氢燃料电池发动机产能达到17万台。大量公司跟进投资热潮。丰田这种典型的日企，赌上某项技术，意图抢占未来技术发展的先机，期望形成技术垄断和壁垒，这也是丰田的野心。然而，在基础设施需要政府支持和推动，R&D进展缓慢的情况下，丰田未来的道路实际上是漫长而艰难的。

51、 任何新技术从发展到成熟，前期都需要大量的社会投入。虽然与锂电池方案相比是赢是输还是未知数，但一旦氢燃料电池能够克服储能、运输、催化等问题，运输革命乃至能源革命将是颠覆性的。

52、 编辑：李倩

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