氫燃料電池基本原理

氫燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）不僅能夠在燃料上實現(xiàn)對燃油的完全替代，而且具有「零排放」、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料來源多樣并可靈活取自于可再生能源等優(yōu)勢，因而被認為是實現(xiàn)未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一。

氫燃料電池基本原理

氫燃料電池是使使用氫這種化學元素，制造成儲能能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應。把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板（負極），經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這個電子，只能經(jīng)過外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。

由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此，只要不斷地給陰極板供應氧，給陰極板供應空氣，并及時把水（蒸汽）帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動行駛。

與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達60%~80%，為內(nèi)燃機的2~3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排除。因此。，氫燃料電池汽車時真正意義上的零排放和零污染，是完美的汽車能源。

氫燃料電池車的優(yōu)勢毋庸置疑，劣勢也是顯而易見的。隨著科技的進步，曾經(jīng)困擾氫燃料電池車發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的儲存技術(shù)等問題已經(jīng)逐步攻克并完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發(fā)展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場所難以承受的。

氫的制取技術(shù)

氫氣的制作目前有很多方法,但比較常用的方法依舊是煤制氫、天然氣制氫、電解水、頁巖氣制氫。其中美國廉價頁巖氣制氫成本控制比較好，歐洲挪威、瑞典等國家利用風能、太陽能制氫、日本藍色能源公司采用生物制氫。

風能制氫以及太陽能制氫雖然不能普及，但是由于氫氣比電池擁有更長的保存期限，所以挪威瑞典等歐洲國家季節(jié)性的制氫儲存, 比如挑選風較大、陽光充沛的季節(jié)制氫，氫氣保存以待不時之需。當然，很多國家利用核能制氫，俄羅斯等資源豐富的國家電力充沛也會電解水制氫，保存起來出口。

煉油廠鋼鐵廠也會產(chǎn)生大量氫氣，在產(chǎn)能充足的情況下也會外售。

純度最高的方式為電解水制氫，是種完全清潔的制氫方式，技術(shù)工藝過程簡單。根據(jù)電解槽生產(chǎn)技術(shù)的不同, 電解水制氫方法可以分為堿性電解、固體高分子電解質(zhì)電解和高溫固體氧化物電解3種。

1、堿性電解法

在堿性電解領域,工業(yè)上廣泛采用在工作溫度( 70~ 80。C )下具有高傳導率的高濃度氫氧化鉀溶液( 25% ~ 30%水溶液)作為電解質(zhì)。使用鐵、鎳和鎳合金等在電極反應中過電壓小的耐堿性材料作為電極。在標準狀態(tài)下，水的理論分解電壓為1.23V ,相應電耗為2.95kW.h/m3，但堿性電解中實際電耗達4.5~5.5 kW-h/m3 ,電解效率為53.6%~ 62% ,總制氫系統(tǒng)效率最高僅達30%。堿性電解雖然對設備投資的要求不高,但是80%的運行成本都集中于用電上。

2、固體高分子電解質(zhì)電解( SPE )

SPE中的固體高分子膜承擔固體電解質(zhì)的作用,被用于隔離電極并將質(zhì)子從陽極運送到陰極，因此在SPE中只需供給純水即可。對于實際SPE電解水制氫系統(tǒng),工作溫度約為80°C，電解電壓為1.5~ 1.6 V，相應的電耗為3.6~ 3.8 kW-h，電解效率為77. 6%~ 82%，總制氫系統(tǒng)效率約為35%。SPE所使用的固體高分子膜多為全氟磺酸型膜， 被水浸潤時酸性較強，為兼顧耐酸性和催化活性，電極中通常加入鉑系貴金屬，而且膜本身價格昂貴，因

此降低SPE的成本是當前的重要課題。SPE 可實現(xiàn)高電流密度電解,功耗低,系統(tǒng)小巧,生成的體純度高,容易實現(xiàn)高壓化,較適于電能來源豐富、價格低廉,尤其是水力、風力、太陽能等可再生能源豐富的場合。

3、高溫固體氧化物電解( SOEC )

SOEC采用氧化釔摻雜的氧化鋯陶瓷作為固體電解質(zhì),高溫水蒸氣通過陰極板時被離解成氫氣和氧離子,氧離子穿過陰極板、電解質(zhì)后到達陽極, 在陽極上失去電子生成氧氣。SOEC在800~950°C下工作，能夠極大增加反應動力并降低電能消耗,電解效率高達90%以上，總制氫系統(tǒng)效率可達52% ~ 59%。此法具有優(yōu)良的性能,但由于在高溫下( 1000 °C)工作時材料損耗大,且需要持續(xù)供給高質(zhì)量的水蒸氣,在目前技術(shù)條件下難以規(guī)?；?/p>

目前電解水制氫的主要問題是能耗高、效率低。關鍵技術(shù)的突破應集中在減少設備成本、提高電解槽的能源效率以及如何搭建集中式大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)等方面。

氫的存儲技術(shù)

氫氣的運輸途徑一般有四種 ,高壓氫氣、液氫、甲基環(huán)己烷MCH.氨。

高壓氫氣即常用的氫罐，日本提供700個大氣壓的氫罐。加氫站如果采用異地運輸?shù)脑捯话悴捎酶邏簹錃?。液氫適合長途運輸,比如川崎重工就可以讓液損失降低到0.05% ,采用大型輪船運輸。甲基環(huán)已烷是日本干代田提出來的技術(shù),它是通過氫氣與有機物產(chǎn)生反應生成氯化物,可以在1個大氣壓下運輸，甚至可以裝到礦泉水瓶中,這種情況也適用于長途運輸，在資源豐富國家制氯之后運輸。運輸?shù)侥康牡刂笥锰厥獯呋瘎┰俣忍崛　?/p>

HyGird也提出了液體運輸氫氣的方法，它采用氫氣轉(zhuǎn)化成氨的方法運輸,然后再提取。

與其它燃料相比,氫的質(zhì)能密度大,但體積能密度低(汽油的1/3000 ),因此構(gòu)建氫儲能系統(tǒng)的大前提條件就是在較高體積能量密度下儲運氧氣。尤其當氫氣應用到交通領域時,還要求有較高的質(zhì)量密度。此外,以氫的燃燒值為基準,將氫的儲存運輸所消耗的能量控制在氫燃燒熱的10%內(nèi)設為理想狀態(tài)。目前氫氣的儲存可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和金屬固態(tài)儲氫。

1、高壓存儲態(tài)氫

高壓存儲氣態(tài)氫是最普通直接的儲氫方式高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲存儲存量與壓力成正比。目前國內(nèi)外采用壓力為25 ~ 35 MPa的碳纖維復合鋼瓶儲運。氫氣在35 MPa時密渡約為23 kg/m3，70MPa時約為38 kg/m3 ,儲氫瓶的質(zhì)量儲氫密度僅有5% (35MPa)。而且壓縮氫氣是耗能過程，若使用更高壓力的儲罐，如70MPa，則壓縮過程需要大量的能量，增加了整體成本(壓縮的能量消耗相當于液化的1/3）。未來除了要繼續(xù)研究如何平衡存儲壓力和壓縮能耗的關系外,還可進行儲罐材料方面的研究以平衡儲罐的重量和價格。

2、低溫存儲液態(tài)氫

液態(tài)氫的體積可減少到氣態(tài)氫的1/800 左右,大大提高體積能量密度。但氫氣沸點是-253°C，氫氣液化需要消耗相當于氫氣燃燒熱1/3的能量,每干克氫需要120 MJ。而且儲存溫度和室溫相差達200°C ,氫氣的蒸發(fā)潛熱低,液氫會汽化散逸,損失率可達每天1% ~ 2%。所以液氫儲存不太適用于間歇使用的場合，如汽車。但適用于大規(guī)模高密度的氫儲存，如可再生能源氫儲能系統(tǒng),越大的儲存罐,使用極好的絕熱裝置隔熱,氣體蒸發(fā)比例越小,但未來需要進步降低液化過程中的能耗 ,提高液化效率。

3、金屬固態(tài)儲氫

氫還可以和許多金屬或合金化合形成金屬氫化物。在一定溫度下加壓,金屬可以大量吸收氫生成固態(tài)金屬氫化物,如LaNi5H6、MgH2 和NaAlH4。且該反應具有很好的可逆性,適當升高溫度或減小壓力即可釋放氫氣。其中德國H2YDROSOL公司選用的就是這種金屬氫化物固態(tài)儲氫技術(shù)。

固態(tài)儲氫具有安全、能量密度和體積密度大、運輸方便、種類多的特點,可以滿足多樣的儲氫環(huán)境要求,是一種良好的儲氫方 式。根據(jù)氫和材料的作用原理,可以分為化學吸附儲氫和物理吸附儲氫?；瘜W吸附儲氫材料中,氫與材料發(fā)生了化學反應,以原子、離子的形式儲存在材料中。而物理吸附儲氫,則是通過范德華力,以氫分子的形式吸附在材料的表面和骨架中。

汽車行駛400公里一般需要消耗12干克的汽油,折合成氫能是4千克的氫氣。下圖列出了三種方式儲存4干克氫的體積比較示意圖,顯而易見,固態(tài)儲氫的體積密度在三種儲氫方式中最高,在汽車空間設計和行駛成本上, 固態(tài)儲氫材料更能滿足車載電源對電池材料的體積大小和重量的要求。對比氣態(tài)儲氫的高壓,液態(tài)儲氫的超低溫條件,固態(tài)儲對溫度和壓強的要求相對寬松,同時固態(tài)儲氫具有安全、體積和質(zhì)量密度高的優(yōu)點,是一種良好的儲氫方式。

金屬固態(tài)儲氫花費的能量約是壓縮方式( 70MPa )的一半,液化方式的1/5 ,體積能密度約比壓縮和液化儲存高3倍。但質(zhì)量能量密度較低,金屬氫化物儲存罐的重量是汽油罐的4倍左右,使其在運輸方面受限,鑭和鋰等材料可改善重量問題,但價格昂貴。而且金屬氫化物容易發(fā)生材料中毒導致儲氫能力下降,目前還沒有出現(xiàn)將金屬固態(tài)儲氫技術(shù)應用到汽車上的案例。

氫的發(fā)電技術(shù)

與傳統(tǒng)化石燃料一樣,氫氣也可以用于氫內(nèi)燃機( ICE )發(fā)電。但由于燃料電池能將氫的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,沒有像普通火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化,可以避免中間轉(zhuǎn)換的損失,達到很高的發(fā)電效率，而且更高效環(huán)保,所以更具實用性。

1、燃料電池分類

燃料電池按其工作溫度不同,把堿性燃料電池( AFC, 100C) 固體高分子型質(zhì)子交換膜料電池( PEMFC, 100°C以內(nèi) )和磷酸型燃料電池( PAFC , 200°C )稱為低溫燃料電池;把熔融碳酸鹽型燃料電池( MCFC，650°C )和固體氧化型燃料電池( SOFC , 1000°C )稱為高溫燃料電池。

在可再生能源的氫儲能應用中，重點關注使用純氫作為燃料的固體高分子型質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC )。它具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動、環(huán)保等優(yōu)點。

2、固體高分子型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

質(zhì)子交換膜燃料電池一般以全氟磺酸型固體聚合物膜為電解質(zhì),碳負載Pt或其合金為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，純氧或空氣為氧化劑。下圖為PEMFC的工作原理圖。

1 )氫氣通過管道或?qū)О宓竭_陽極。

2)在陽極催化劑的作用下,1個氫分子解離為2個氫質(zhì)子,并釋放出2個電子,陽極反應為:H2→2H++2e.

3)在電池的另-端,氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_陰極,在陰極催化劑的作用下,氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應生成水,陰極反應為:1/2 O2+2H++2e→+H20

總的化學反應為:H2+1/2O2=H20

電子在外電路形成直流電。因此,只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)地輸出電能。

3、PEMFC的心臟一膜電極技術(shù)Mea

MEA作為PEMFC的心臟，是決定整個 FEMFG系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。它是 PEMFG進行電化學反應的場所。MEA是由質(zhì)子交換膜、催化層(Catalyst Layer, CL)和氣體擴散層構(gòu)成的,以Nafion 115質(zhì)子交換膜為例, NIEA的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

在MEA工作時電極內(nèi)同時進行著質(zhì)子、電子、氣體和水的傳遞過程,如下圖

質(zhì)子(H+)在電催化層中的傳遞主要依靠質(zhì)子導體(Nafion) ,并在膜中由陽極傳遞到陰極；電子在電催化層中的傳遞主要依靠導電性的Pt/C電催化劑,并通過氣體擴散層到達外電路；氣體由多孔性的擴散層到達電催化層,并在電催化層中的孔隙中得以擴散:水的傳遞般伴隨著氣體的流動,而憎水劑如PTFE的使用也有助于水的及時排出。

通過多年的研究，對于MEA的結(jié)構(gòu)特點已有所共識,它與一般電他中的氣體擴散電極不同，其電解質(zhì)為固態(tài)的離子聚合物( ionomer ),而非電解質(zhì)溶液,因此不能借助于溶液的表面張力,使電解質(zhì)滲入多孔電極的內(nèi)部,形成三維反應區(qū)。為了使反應氣體通過離子聚合物達到電催化劑的表面，應盡可能地擴大催化層中的離子聚合物與電催化劑顆粒的接觸面積,即擴展三維的反應區(qū)間,形成質(zhì)子、電子和反應氣體的連續(xù)通道,這樣才能既充分提高催化劑的利用率,又減少各種傳遞過程的阻力。MEA的工作性能是決定PEMFC性能高低的關鍵。

影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的三大關鍵是質(zhì)子交換膜、電催化劑和膜電極。高性能的質(zhì)子交換膜技術(shù)被國外廠家壟斷,價格昂貴；電催化劑般采用鉑價格高昂,近年的研究已使膜電極上鉑載量明顯減少；膜電極是影響PEMFC性能、能量密度分布及其工作壽命的關鍵因素，對其制備工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究最為關鍵。

燃料電池需組成電堆才可大規(guī)模發(fā)電，因此要發(fā)展高均性的電堆技術(shù)，組成大容量聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。同時，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)通常還需配置個輔助儲能環(huán)節(jié), 彌補燃料電池動態(tài)響應上的不足。燃料電池產(chǎn)生的直流經(jīng)換流器轉(zhuǎn)為交流及電池與系統(tǒng)連接運行時，需對交流波形、高次諧波、故障分析和保護等問題進一步研究，采取專門的措施穩(wěn)定并網(wǎng)。

氫燃料電池技術(shù)與鋰電池技術(shù)何去何從？

鋰電池技術(shù)在當前的新能源車型中占據(jù)了主流態(tài)勢，這其中特斯拉、蔚來汽車們最具備代表性，那就是鋰電池技術(shù)以及相關的輪轂電機驅(qū)動技術(shù)等等，并不具備太大的專利壁壘，尤其是在電池成本開始規(guī)?；蠓档偷慕裉欤S多廠商可以像智能手機產(chǎn)業(yè)一樣直接享受到上游成熟產(chǎn)業(yè)所帶來的優(yōu)勢，迅速地開創(chuàng)新能源汽車品牌。哪怕是手機電池還是都得一天一充，還是很容易就可以從圖紙變成量產(chǎn)銷售的實車。而選擇氫燃料電池技術(shù)路線的車企車企屈指可數(shù)，除了豐田之外，只有寶馬（Hydrogen7）、現(xiàn)代（NEXO）、本田（CLARITY）等少數(shù)幾家。

另外，國內(nèi)各級政府為了大力推廣新能源車提出了許多優(yōu)惠項目，尤其是國網(wǎng)大力建設充電樁，這必然會為鋰電池汽車提供了良好生存的土壤。相對比起來加氫站目前國內(nèi)僅有可憐的7座，它們之間的推廣難度差異不是一星半點。

話說回來，國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃中將燃料電池車應用發(fā)展指定到了不久之后的2030年，但是僅2017年氫燃料電池投資項目就達1000多億，產(chǎn)能為17萬套氫燃料電池發(fā)動機，出現(xiàn)了大批公司跟進的投資熱潮。豐田這種典型的日本企業(yè)賭博式押寶某一科技，意圖搶占未來技術(shù)發(fā)展先機，期望能夠形成技術(shù)壟斷和壁壘，這也是豐田的野心所在。只不過，在基礎設施需政府扶持和推進，研發(fā)進度緩慢的情況下，豐田未來的路其實還是漫長而艱難。

任何新技術(shù)由發(fā)展到成熟都需要大量的社會前期投入，雖然最終與鋰電池方案相比“鹿死誰手”仍未可知，但是氫燃料電池一旦能夠克服儲能、運輸、催化等難題，那么帶來的交通革命甚至是能源革命將是顛覆性的。

審核編輯 ：李倩