氢燃料电池技术

一、背景介绍：

随着全世界现代工业的迅猛发展，自然界所能供给能源的日渐枯竭和世界各国对环境保护的日益重视，燃料电池作为一种清洁、高效、安全的新能源 显示出了广阔的、诱人的市场开发前景。

 燃料电池工作时燃料并非直接燃烧，而是通过电化学发电装置发电，其效率不受卡诺循环限制。 所以能量转换效率高，理论上可以高达83％，一般实际效率可达60％以上，远高于普通火力发电，是 普通工作条件下内燃机实际效率的2~3倍。燃料电池可以直接使用天然气和氢气等可燃气体作为 “燃料”，也可以使用甲醇、乙醇等液体作为“燃料”， 其中以氢气作为原料气的氢氧燃料电池是最理想的化学电源，它工作时发生的电化学反应是氢气和氧气化合成水，反应产物是干净的水，对环境没有任何污染。因此，氢氧燃料电池被称为“绿色发电机”，以氢氧燃料电池驱动的电动汽车被称为“零污染汽车”。因此，世界各工业发达国家都在大力研究开发氢氧燃料电池电动汽车。目前，已有少数欧美国家的大汽车公司如德国的奔驰汽车公司等已制造以氢燃料电池为动力的公共汽车，现已投入正常运营，预计21世纪中叶，这种零污染电动汽车将会逐渐走向实用化和商品化。

二、氢燃料电池发展史：

 1960 首次应用与美国宇航局（NASA​​​​​）Gemini宇宙飞船；

 1965 质子交换膜燃料电池应用于双子座计划航天器；

 1968 通用汽车公司生产第一台可使用的氢燃料汽车；

 1987 巴拉德成功开发高效率的基于Nafion膜的质子交换膜燃料电池；

 1990 丰田，本田，日产开始研发燃料电池汽车；

 2001 通用汽车公司在法兰克福汽车展上展出了新型氢燃料电池车“氢动3号”；

 2014 丰田首次将量产燃料电池汽车投放市场。

三、氢燃料电池工作原理：

  如图所示，核心部分是膜电极组装（MEA），阳极通氢气在电极表面发生氢氧化反应（HOR）:

             H₂ → 2H⁺ + 2e^-

产生的质子透过中间的质子交换膜扩散至阴极。阴极通空气，其中O₂在电极表面和H⁺发生氧还原反应（ORR）：

                                                      O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

这一电对在标准状况下的电极电势是1.23V vs.RHE，所以电子在阴阳极反应电势差的驱动下，在外电路上发生从阳极到阴极转移的过程。H⁺在浓度差的驱动下由阳极通过质子交换膜向阴极转移，形成完整回路。

燃料电池工作原理图

四、氢燃料电池特点：

  无噪音：​在氢燃料电池的运行过程中，通常不会有噪音的出现， 音量分贝与人们正常交流的音量相差无几。由于氢燃料电 池具有无噪音的特点，因此氢燃料电池系统既可以安装在室内，也可以安装在室外，不会对其周围产生很大的影响。

  无污染：理想情况下氢燃料电池的产物只有水，水对环境是无污染的。氢燃料电池是通过电化学反应，而不是通过燃烧释放很多对环境有害的气体，如果氢是通过可再生能源（如风能、太阳能等） 产生的，那么在氢燃料电池的生产过程中，将不会有有害气体的产生，即氢燃料电池的循环过程对环境无污染。

  高效率：氢燃料电池区别于内燃机式转换能量的方式，燃料电池直接将化学能转化为电功，不再受限于卡诺循环，能量转换效率高。

五、发展前景：

  如右图所示，截至2021年，我国已累计建成加氢站131座，108座已经投入运营，23座待运营。受国家新能源政策的影响，近几年我国加氢站建设持续高速增长。从下图可以看出，自2016年以来，我国每年建成的加氢站数量都以100%的增速高速增长。