解析氢燃料电池原理及其优缺点

氢燃料电池是一种新型的清洁能源，正变得越来越受人关注,它不仅可以零排放，而且效率高，理论上甚至可以解决我们的能源瓶颈问题。使用氢燃料电池的车辆正快速出现在道路上，而许多国家也相继开展了相关的研究计划。不过，不同于传统的燃料类型，氢气并不是直接从地球产出或者通过传统方式加工。 相反，需要利用能源将水分解成氢气和氧气，这就涉及到了制氢成本的问题。 氢气具有极易泄漏和燃爆的特性，需要配备高级安全设施，使得制造和使用氢燃料电池车辆的风险和成本都相对较高。

图 1

氢燃料电池原理是什么?

我国现代化建设中，科技和能源是两个关键领域。传统能源的严重短缺已经成为制约中国经济发展的瓶颈之一，因此，如何高效地利用清洁能源也成为了一个重要的关键问题。氢燃料电池因其可持续、环保等特点而备受瞩目。那么，氢燃料电池的原理是什么呢?本文将通过五个小标题，详细阐述氢燃料电池原理。

第1部分：什么是氢燃料电池?

氢燃料电池是燃料电池中常见的一种类型。它采用了氢气(H2)和氧气(O2)的氧化还原反应产生电能。具体来说，当氢气和氧气经过氧化还原反应时，会产生很多水和能量。那么这种能量是如何被转化为电能呢?实际上，这个过程涉及到氢燃料电池的电化学原理。

氢燃料电池包含两个主要的电极：阳极和阴极。在氢燃料电池中，氢气被送到阳极，氧气则被送到阴极。氢分子被分解成质子(H+)和电子(e-)，质子穿过阳极，经过质子交换膜，与阴极表面的氧气结合，一起形成水。而电子则通过电路，在这个过程中产生了电流。

第2部分：氢燃料电池的电化学原理

氢燃料电池的实质是基于氢化学能和氧化学能在阳、阴极上发生电化学反应，从而直接产生电能的装置。从宏观上说，氢氧电池就是一种将氢气(或已氢化的物质如甲烷等)和氧气(空气中的氧气)在电解质电化学反应下直接转变成为电能的装置。

从微观上说，氢燃料电池中的电化学过程分成两半反应，即氧还原反应和氢氧化反应。当氢气进入阳极时，它遇到了一个由铂和碳纤维制成的催化剂。在催化剂的作用下，氢气被分解成质子(H+)和电子(e-)。质子穿过受阻的活性层并最终通过电解质电池中的质子交换膜，而电子则沿着电路流动，从而产生电流。

同时，氧气进入阴极并碰到了一个别的催化剂。在这个反应中，氧分子与质子和电子结合，形成水。所以，当阳极和阴极中发生反应时，氧气和氢气联合转化产生能量和水。

第3部分：氢燃料电池的类型

如今，氢燃料电池在市场上已经有很多的应用，例如：交通工具、船舶、飞机等等。而在具体的应用中，还有许多不同类型的氢燃料电池。根据不同的分类标准，氢燃料电池可分为以下几种类型。　

(1)PEM 燃料电池：PEM 燃料电池是商用化程度最高的型号。它主要应用于轻型车辆、汽车内饰、飞机、水下潜航器等载体。

(2)PAFC 燃料电池：PAFC 燃料电池可以说是商用程度较高的机型。它适用于产生电力和热的住宅区和地下车库。

(3)SOFC 燃料电池：SOFC 燃料电池技术历史悠久，并且被广泛应用于建筑和工业行业。

(4) MCFC 燃料电池：MCFC 燃料电池可用于市政供暖、发电和工业领域。

第4部分：氢燃料电池的未来趋势

在全球范围内，政府和企业对氢燃料电池以及其应用的发展抱有极大期望。未来十年，氢能将迎来快速的发展，并成为清洁能源的一个重要组成部分。据预测，2020年全球氢能市场将达到120亿美元，2024年可达到200亿美元。同时，在中国国内，多个机构和企业也已纷纷加入到氢燃料电池的研发和推广中。

图 2

氢燃料电池的优缺点有哪些?

随着环境保护意识的逐渐加强，节能环保已经成为我们生活中不可忽视的话题。汽车是当前污染最严重的产业之一，如何研发出低碳、环保的汽车成为各国亟需解决的问题之一。氢燃料电池汽车因其高效绿色等特点逐渐受到关注，那么氢燃料电池的优缺点具体有哪些呢?下面是详细阐述。

1、氢燃料电池的优点

氢燃料电池技术的出现，给汽车行业带来了一些全新的可持续发展方向，其主要有以下优点：

(1)：“零排放”：氢燃料电池汽车运行只会产生水蒸气和热，不存在污染物，实现了“零排放”。

(2)：“长续航里程”：氢燃料电池汽车的电池电量很大，每次充满电后行驶里程可以达到500公里以上。

(3)：“燃料成本低”：目前市场上氢燃料每公斤价格在60元左右，同等里程下的成本比纯电动汽车和汽油汽车都要低。

优点4：“加注方便”：加注时间短，只需要三分钟就可完成充注，可以和加油站实现类似服务设施，所以目前各大加油站已开始安装氢能加油站。

2、氢燃料电池的缺点

虽然氢燃料电池汽车有很多优点，但同时也存在一些缺点。

(1)：“制造成本高”：目前汽车制造企业和科研机构研发氢燃料电池汽车，采用的技术和工艺比较高档，因此生产成本相对较高，难以普及化。

(2)：“稳定性差”：氢燃料电池汽车的稳定性还不太好，需要更好的材料和工艺来保证电池的寿命和可靠性。

(3)：“生产过程污染环境”：氢燃料电池制造过程中，所需生产工艺和材料都需要消耗能源和资源，排放废弃物对环境污染也无法避免。

(4)：“氢气储存技术尚需研发”：氢气本身具有极强的易燃性、爆炸性和渗透性，氢气安全储存是关键问题之一，需要新的存储技术来解决。

3、氢燃料电池的市场前景

从目前的政策趋势来看，各国政府纷纷制定推广氢能和氢燃料汽车的政策。

在我国，我国开始大力推动氢气相关产业的发展，诸如重点区域和道路建设等等都列入了发展规划之中，同时，出台的多项政策也为氢燃料汽车的普及提供了便利和扶持。

4、氢燃料电池汽车与其他汽车的比较

受到技术成熟度、清洁程度、市场现状等多重因素的影响，很多人对氢燃料电池汽车与其他汽车形成了比较，下面做一个简单的对比：

对比1：“每公里成本”：在相同行驶里程和加注充电设施下，氢燃料电池的每公里成本比汽油、油电混合动力、纯电动都略高，但是这种不足可以通过技术进步和标准体系来优化。

对比2：“中长途出游”：氢燃料电池汽车可以轻松地解决中长途旅行过程中的续航和加注问题，在出行中显得非常方便快捷。

对比3：“城市通勤”：城市通勤过程中，混合动力、纯电动等技术已经相当成熟，市场占有率较高，而氢燃料电池目前尚处于起步状态，所以市场份额比较小。

5、氢燃料电池的发展趋势

未来，氢燃料电池汽车行业里程碑性的技术进步和工艺革新将会成为主流，其发展趋势主要表现为以下几个方面：

1：出现新型能源补给系统，加速普及氢燃料电池汽车。

2：国际氢能合作将会启动，为氢燃料电池汽车推广和生产提供全面支持。

3：研究重点将逐渐从氢气存储转向核心技术提升，例如堆垛、科技设计、充电池设计等等，包括协同实验室和测试中心的设立。

图 3

如何提高氢燃料电池的效率?

随着全球能源危机日益严峻，新能源的研发和利用变得越来越重要。氢燃料电池由于具有高效、清洁、可再生等特点，成为了备受瞩目的新能源。然而，在实际应用中，氢燃料电池的效率仍然存在一些问题。本文将探讨如何提高氢燃料电池的效率。

1、提高燃料利用率

氢燃料电池的关键是提高燃料利用率。燃料利用率越高，电池的效率越高。为了提高燃料利用率，可以采取以下方法：

(1)、提高氢气的纯度。减少杂质的存在可以减少电池过程中的腐蚀作用，提高燃料利用率。

(2)、增加电化学反应表面积。利用氧化铝等高比表面积材料来增加电化学反应表面积，从而提高燃料利用率。

(3)、优化反应条件。例如控制温度、电解液浓度等，可以最大程度地提高电化学反应的效率。

2、完善氢气生产技术

氢燃料电池的关键在于氢气的产生。目前氢气主要通过蒸汽重整、部分氧化、水电解等方式产生，但这些方法不仅能源消耗大，而且需要大量的铂族催化剂。未来应该致力于开发更加能源有效和环境友好的氢气生成技术，如太阳能光解制氢和生物制氢等。

3、研发高效电解质材料

电解质材料是氢燃料电池中不可或缺的一部分。目前主流的电解质是聚合物阳离子膜，但它们存在成本高、操作温度窄、耐久性差等缺陷。因此，寻找一种低成本、高效率的电解质材料将会极大地促进氢燃料电池的发展。

4、开发高效催化剂

催化剂是氢燃料电池中实现氢气和氧气还原反应的关键。目前，主流的催化剂是铂族金属。铂族金属具有优秀的催化性能，但成本高，同时也容易受到长期使用和污染的影响。因此，开发出成本低廉、耐用性强的新型催化剂材料将对提升氢燃料电池的效率有着至关重要的作用。

5、优化运行环境

除了电解质和催化剂等重要组件外，其他运行环境也会影响氢燃料电池的效率。例如，燃料电池在高温下的效率更高，因此可以采用冷却系统来降低温度。此外，在电化学反应过程中，过多的水会影响反应速率，因此应该控制好水的含量。

氢燃料电池具备高能量密度、长续航里程、零排放等优势，对于解决传统燃油车的污染和能源短缺问题有着积极而重要的作用。而随着我国氢能源的不断发展，氢燃料电池技术在乘用车、商用车等各个领域的应用，也将逐步实现商用化，裂变出更多的市场。相信，在未来的日子里，氢燃料电池会走向更加广阔的领域，成为人类能源供应之一。