燃料电池如何工作？

探索燃料电池的发展并研究不同的系统。

燃料电池是一种电化学装置，将氢燃料与氧气结合在一起产生电，热和水。燃料电池与电池相似之处在于，只要有可用燃料，就会发生电化学反应。氢气存储在加压容器中，氧气从空气中吸收。由于没有燃烧，因此没有有害排放物，唯一的副产品是纯净水。质子交换膜燃料电池（PEMFC）发出的水是如此纯净，以至于温哥华的巴拉德动力系统公司的游客都可以享用由这种纯净水制成的热茶。

根本上，燃料电池使用两个被电解质隔开的电极进行反向电解。阳极（负电极）接收氢，阴极（正电极）收集氧。阳极处的催化剂将氢分离为带正电的氢离子和电子。氢被离子化，并穿过电解质迁移到阴极室，在阴极室与氧气结合。单个燃料电池在负载下产生0.6–0.8V。为了获得更高的电压，几个电池串联连接。图1说明了燃料电池的概念。

在将碳燃料转化为能源方面，燃料电池技术的效率是燃烧的两倍。氢是最简单的化学元素（一个质子和一个电子），可以作为燃料使用，而且非常清洁。氢占宇宙的90％，是地球表面上第三大最丰富的元素。如此丰富的燃料将以相对较低的成本提供几乎无限的清洁能源库。但是有一个障碍。

对于大多数燃料，氢与其他物质结合，气体的“释放”消耗能量。就净热值（NCV）而言，氢气的生产成本比汽油高。有人说氢几乎是能量中性的，这意味着产生氢所需的能量与其在最终目的地传递的能量一样多。（看到BU-1007：净热值。）

氢的存储还带来另一个缺点。加压氢气需要重型钢制储罐，而NCV的体积比液态石油产品低约24倍。液态的致密得多，氢气需要大量的绝缘才能进行冷藏。

氢气也可以用重整器通过从现有燃料（例如甲醇，丙烷，丁烷或天然气）中提取来生产。将化石燃料转化为纯氢会释放一些残留的碳，但这比汽车尾气排放的有害气体少90％。携带重整器会增加车辆的重量并增加其成本；改革者也很迟钝。氢转化的净收益是有问题的，因为它不能解决能源问题。

历史

威尔士法官和绅士科学家威廉·格罗夫爵士（Sir William Grove）在1839年提出了燃料电池的概念，但这项发明从未成功。这是在内燃机（ICE）的开发过程中取得的成果。直到1960年代，双子座太空计划才将燃料电池投入实际使用。NASA首选这种清洁能源，而不是核能或太阳能。选择的碱性燃料电池系统为宇航员发电并产生了饮用水。

高昂的材料成本使燃料电池无法用于商业用途。燃料电池芯（堆）价格昂贵并且使用寿命有限。在内燃机中燃烧化石燃料是利用能源的最简单，最有效的方法，但它却污染了环境。

高昂的成本并没有阻止已故的碱性电池共同发明者卡尔·科德施（Karl Kordesch）在1970年代初将其汽车转换为碱性燃料电池。他将氢气罐安装在屋顶上，并将燃料电池和备用电池放在行李箱中。据科德施说，有足够的空间容纳四个人和一只狗。他在美国俄亥俄州开了很多年汽车，但是科尔德施亲自告诉我，唯一的问题是汽车没有通过检查，因为它没有尾管。

这是最常见的燃料电池概念。

质子交换膜，也称为PEM，使用聚合物电解质。PEM是最先进且最常用的燃料电池系统之一。它为汽车供电，用作便携式电源，并提供备用电源代替办公室中的固定电池。PEM系统允许紧凑的设计，并实现高的能量重量比。另一个优点是在施加氢气时启动相对较快。烟囱在80°C（176°F）的中等温度下运行，效率为50％。（ICE的效率为25％到30％。）

不利的是，PEM燃料电池的制造成本较高，并且水管理系统复杂。烟囱中含有氢气，氧气和水，如果干燥，则必须加水以启动系统。过多的水会导致洪水泛滥。烟囱需要化学级的氢气。较低的燃油等级会引起膜的分解和堵塞。鉴于150V的电池组需要250个电池单元，因此测试和修复电池组非常困难。

冷冻水会损坏烟囱，可添加加热元件以防止结冰。寒冷时启动很慢，起初性能很差。过热也可能导致损坏。控制温度和供应氧气需要压缩机，泵和其他附件，它们消耗大约30％的产生的能量。

在车辆中运行PEM燃料电池时，PEMFC电池组的使用寿命估计为2,000–4,000小时。短距离行驶引起的湿润和干燥会增加膜应力。连续运行时，固定烟囱的使用寿命约为40,000小时。电池组不会突然消失，但会像电池一样褪色。更换堆栈是一项主要费用。

碱性燃料电池已成为航空航天（包括航天飞机）的首选技术。制造和运营成本低，尤其是对于堆栈而言。尽管PEM隔板的价格在每平方米800至1100美元之间，但用于碱性系统的相同材料几乎可以忽略不计。（用于铅酸电池的隔板的价格为每平方米5美元。）水的管理很简单，不需要压缩机和其他外围设备。效率在60％的范围内。不利的是，AFC的物理尺寸大于PEM，并且需要纯氧和氢作为燃料。受污染的城市中存在的二氧化碳量可能使烟囱中毒，这将AFC限制为专门的应用。

电力公司使用三种类型的燃料电池，分别是熔融碳酸盐，磷酸和固体氧化物燃料电池。在这些选择中，固体氧化物（SOFC）是最不发达的，但由于电池材料和电池堆设计方面的突破，固体氧化物（SOFC）受到了新的关注。新一代陶瓷材料不是在800–1,000°C（1,472–1,832°F）的极高工作温度下工作，而是将磁芯的温度降低到了更易于管理的500–600°C（932–1,112°F）。 。这允许使用常规的不锈钢而不是昂贵的陶瓷作为辅助部件。

高温允许通过催化重整过程从天然气中直接提取氢气。一氧化碳是PEM的污染物，是SOFC的燃料。无需指定的重整器就可以接受碳基燃料并实现高效率，对这类燃料电池具有重大优势。通过利用热量副产物运行蒸汽发生器进行热电联产，将SOFC效率提高到60％，是燃料电池中最高的效率之一。不利的是，较高的堆垛温度需要用于芯子的奇特材料，从而增加了制造成本并降低了使用寿命。

便携式燃料电池引起了人们的关注，最有希望的发展是直接甲醇 燃料电池。这种小型装置制造便宜，使用方便且不需要加压氢气。DMFC具有良好的电化学性能，可通过注入液体或更换墨盒来重新填充。这样可以连续运行而不会停机。

制造商承认，用燃料电池直接更换电池已有数年之遥。为了弥合差距，微型燃料电池充当充电器，为车载电池提供连续运行。此外，甲醇是有毒和易燃的，并且乘客可以在飞机上携带多少燃料受到限制。2008年，运输部发布了一项裁定，允许乘客和机组人员携带已批准的燃料电池，其中装有已安装的甲醇盒以及最多两个另外的200毫升（6.76盎司）备用盒。该规定尚未扩展到瓶装氢气。

图2显示了东芝的微型燃料电池，图3显示了纯度为99.5％的甲醇加油。

东芝正在进行改进，并推出了可产生20至100瓦功率的笔记本电脑和其他应用的原型燃料电池。单位紧凑，比能量可与镍镉电池媲美。同时，松下声称以类似的尺寸将功率输出提高了一倍，如果燃料电池每天间歇使用8小时，则日历寿命为5,000小时。这些燃料电池的低寿命是一个不容忽视的问题。

人们正在尝试使用储存氢的小型燃料电池。提高效率和减小尺寸是纯氢优于甲醇的优势。这些微型系统没有泵和风扇，并且完全安静。据说21cc的墨盒可提供约10 AA碱性电池的等效能量，加油时间为20小时。这使它适合单车骑行者的便携式计算，无线通信和手电筒。

军事和娱乐用户也在尝试使用微型燃料电池。图4说明了由SFC Smart Fuel Cell制造的便携式燃料电池。EFOY燃料电池具有不同的容量，容量范围为600至2160瓦时。

图4：面向消费市场的便携式燃料电池。

燃料电池将氢气和氧气转化为电能，而纯净水是唯一的副产品。燃料电池可以在室内用作发电机。

表5描述了应用，并总结了普通燃料电池的优点和局限性。该表还包括熔融碳酸盐（MCFC）和磷酸（PAFC），这是已经存在了一段时间并且具有独特优势的经典燃料电池系统。

事态发展

局限性包括启动时间慢，功率输出低，对功率需求的响应缓慢，负载能力差，功率带宽窄，使用寿命短和成本高。与电池类似，所有燃料电池的性能会随着时间的流逝而降低，并且电池组的效率逐渐下降。对于ICE，这种性能损失要小得多。

低于1kW的燃料电池通常是无压的，仅使用风扇来辅助氧气供应。高于1kW的燃料电池被加压，并包括降低效率的压缩机，并且系统可能会产生很大的噪音。燃料电池的相对较高的内部电阻提出了进一步的挑战。电池堆中的每个电池在开路时产生约1伏的电压。重负载会导致明显的电压降。与电池相似，功率带宽会随着时间的流逝而降低。还已知堆中的单个电池会引起故障，并且污染物是主要的贡献者。图6说明了电压和功率带宽随负载变化的情况。

图6：便携式燃料电池的功率带  高内阻会导致电池电压  随负载迅速下降。功率带限制在300至800mA之间。

燃料电池在30％的负载系数下运行效果最佳；较高的负载会降低效率。这种不良的节气门响应使燃料电池进入支持模式或充电器，以保持电池充电。正如开发人员所希望的那样，独立电源尚未实现。

燃料电池的悖论

1990年代，科学家和股票发起人设想了一个依靠清洁，取之不尽，用之不竭的资源-氢，燃料电池的使用达到了顶峰。他们预测，汽车将依靠燃料电池行驶，燃料电池也将产生家庭电力。股票价格飞涨，但边际绩效，高制造成本和有限的使用寿命减轻了氢梦。

据说燃料电池将像微处理器在1970年代所做的那样改变世界。清洁，取之不尽用之不竭的能源将可以解决燃烧化石燃料的环境问题。从1999年到2001年，有2,000多个组织积极参与了燃料电池的开发，北美四家最大的公共燃料电池公司筹集了超过10亿美元的股票。什么地方出了错？

氢本身并不是能源，而是一种类似于电池充电的电能那样的运输和储存能量的介质。要设想“燃烧无限量的氢”，首先必须生产燃料，因为氢不可能像油一样从地球上泵出来。虽然化石燃料非常适合产生氢气，但当这种昂贵的燃料提取或直接燃烧所需的成本更高或更多时，利用这种有价值的燃料释放氢就没有多大意义。唯一的好处是减少了温室气体。

就像在1800年代中期尝试用蒸汽飞行飞机失败一样，可以想象燃料电池将永远不会成为科学家所希望的动力。但是，日本对汽车领域重新产生了兴趣。燃料电池可以代替办公楼中的电池组和柴油发电机，因为它们可以安装在狭窄的存储空间中，维护成本最低，并且不需要排气。燃料电池可让叉车在仓库中连续且无污染地运行，而40M燃料电池可在偏远地区产生清洁电力。最终的梦想是用清洁燃料电池推动车辆行驶。

燃料电池有一天可能会配备电动轮毂马达的出租车飞机。通过不运行喷气发动机，这将降低污染并节省多达4％的燃料。燃料电池在给电池充电时产生的水可以用作车载饮用水；再生制动可以进一步帮助为电池和超级电容器充电，以实现快速充电。最终的梦想是用清洁燃料电池推动飞机和车辆。

氢燃料电池或锂离子电池

绿色汽车通常由锂离子电池而非燃料电池供电。原因如下：

通过太阳能或风从水中电解产生的氢气效率约为70％。氢气被压缩到储罐中，效率系数约为90％。运行实际的燃料电池的效率约为55％。乘以这些损失，最终效率约为35％。

将能量直接存储到锂离子电池中的效率约为95％。通过电线到使用点的电蒸腾比在地面上运输储罐更具成本效益。随着每英里100美元/千瓦时的百万英里电池的问世，锂离子电池已成为一种有吸引力的交通储能系统。