氫燃料電池

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。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發生反應後，放出電子通過外部的負載到達陰極。

基本介紹

• 中文名：氫燃料電池
• 外文名：Hydrogen Fuel Cell
• 使用元素：氫
• 原理：電解水的逆反應
• 適用領域：汽車能源，航天能源等
• 優勢：無污染，無噪音，高效率
• 名詞：綠色燃料“氫經濟”

特點

無污染

燃料電池對環境無污染。它是通過電化學反應，而不是採用燃燒（汽、柴油）或儲能（蓄電池）方式－－最典型的傳統後備電源方案。燃燒會釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的（光伏電池板、風能發電等），整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

無噪聲

燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當於人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合於室內安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。

高效率

燃料電池的發電效率可以達到50%以上，這是由燃料電池的轉換性質決定的，直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能（發電機）的中間變換。

區別

乾電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料電池嚴格地說是一種發電裝置，像發電廠一樣，是把化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。另外，氫燃料電池的電極用特製多孔性材料製成，這是氫燃料電池的一項關鍵技術，它不僅要為氣體和電解質提供較大的接觸面，還要對電池的化學反應起催化作用。

套用領域

航天領域

20世紀60年代，氫燃料電池就已經成功地套用於航天領域。往返於太空和地球之間的“阿波羅”飛船就

安裝了這種體積小、容量大的裝置。進入70年代以後，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術，很快，氫燃料電池就被運用於發電和汽車。

工作示意圖

大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發出的電送往電網，由電網輸送給用戶。但由於各用電戶的負荷不同，電網有時呈現為高峰，有時則呈現為低谷，這就會導致停電或電壓不穩。另外，傳統的火力發電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發電機這些龐大的設備上，燃燒時還會消耗大量的能源和排放大量的有害物質。而使用氫燃料電池發電，是將燃料的化學能直接轉換為電能，不需要進行燃燒，能量轉換率可達60%～80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

氫的化學特性活躍，它可同許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之後，形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高於液氫的密度，而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會分解，並把所吸收的氫釋放出來，這就構成了一種良好的貯氫材料。

汽車套用

20輛中國自主研製的氫燃料電池轎車在同濟大學新能源汽車工程中心舉行赴京發車儀式，它們將在奧運會中投入運營。這20輛氫燃料電池轎車是基於大眾帕薩特領馭車型，通過改制和集成最新一代燃料電池轎車動力系統平台而成功研發出來的。它們以氫氣為能源，經氫氧化學反應生成水，真正實現零污染。氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多公里，時速達每小時140~150公里。氫燃料電池轎車比同類型內燃機車重200多公斤，貴5倍以上。

福田氫燃料電池客車

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（質子）穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板後，與氧原子和氫離子重新結合為水。由於供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，並及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。與傳統汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60~80%，為內燃機的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源！

氫燃料電池車的優勢毋庸置疑，劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步，曾經困擾氫燃料電池發展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術等問題已經逐步攻克並不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發展的最大瓶頸。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。

據悉，這批氫燃料電池車，最大輸出功率高達60千瓦，燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣，大約相當於4升93號汽油。

英國政府將大力發展氫燃料電池汽車，計畫在2030年之前使英國氫燃料電池車保有量達到160萬輛，並在2050年之前使其市場占有率達到30%-50%。政府將從2015年起實現氫燃料電池汽車本土化生產，並自行研發相關技術，另外還將建設氫燃料補給站。

目前豐田汽車公司已經將燃料電池的成本大幅降低, 整車價格控制在6.9萬美元(40萬人民幣), 可提供100KW動力輸出, 續航能力達到700公里. 並將在北美和日本本土上市, 上市時間為2015年上半年.

飛機套用

工作原理

燃料電池（Fuel Cell），是一種發電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，燃料電池正如其名，是繼續添加燃料以維持其電力，所需的燃料是“氫”，其之所以被歸類為新能源，原因就在此。燃料電池的運作原理（如圖1），也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個質子（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧‘吸引’到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物。燃料電池所使用的“氫”燃料可以來自於水的電解所產生的氫氣及任何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇（酒精）、沼氣等等。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發展前景的新能源方式，如能普及並套用在車輛及其他高污染之發電工具上，將能顯著減輕空氣污染及溫室效應。

氫燃料電池飛機

時速百公里

波音公司於2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次，預示航空工業未來更加環保。但波音承認，這一技術不太可能為大型客機提供主要動力。

波音公司於2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮進行試飛氫燃料電池飛機，成功試飛具有歷史意義。　小型飛機起飛及爬升過程使用傳統電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度後，飛機切斷傳統電池電源，只靠氫燃料電池提供動力。飛機在1000米高空飛行了約20分鐘，時速約100公里。這一技術對波音公司意義重大，也讓航空工業的未來“充滿綠色希望”。

小型飛機由奧地利“鑽石”（Diamond）雙座螺旋槳動力滑翔機改裝而成，飛機內安裝了質子交換膜燃料電池和鋰離子電池。小型飛機翼展16.3米，機身長6.5米，重約800公斤，可容納兩人。試飛過程中，機上只有飛行員一人。

在機艙內，傳統電池安放於唯一的乘客座位上，飛行員背後有一個類似潛水員使用的氧氣罐。波音公司說，這架飛機連續飛行時間最長45分鐘，“不會產生任何噪音”。氫燃料電池通過氫轉化為水的過程產生電流，不產生溫室氣體。除熱量外，水蒸氣是氫燃料電池產生的唯一副產品。

波音的氫燃料電池飛機帶來技術突破，但“波音（歐洲）研究與技術”部稱，。這一技術可能為大型飛機提供輔助動力，但這需要技術突破。

技術局限性

在燃料價格上漲、環境污染與全球變暖的情況下，對更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長。

波音的氫燃料電池飛機帶來技術突破，但波音（歐洲）研究與技術部負責人埃斯卡蒂說，氫燃料電池可以為小型飛機提供飛行動力，但不能為大型客機提供主要動力。

波音公司負責試飛工作的工程師涅韋斯·拉佩納說，這一技術可能為大型飛機提供輔助動力，但這需要技術突破。波音公司說，將繼續開發氫燃料電池的潛力，以改善環境。

國際能源機構說，推廣使用氫氣和氫燃料電池，可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產生溫室氣體的能源消耗。

發展現狀

據儲能國際峰會獲悉，作為真正意義上“零排放”的清潔能源，氫燃料電池在已開發國家的套用正在提速。日本將於2015年前建成100座加氫站，已建成13座，歐盟在近期通過了增加燃料電池巴士項目；現代汽車ix35燃料電池車批產型號已於2012年3月下線，並計畫2015年起大批量生產。這表明燃料電池已從實驗室真正走向產業化，與鋰電池相比，它更具有零污染優勢。

美國能源部在對外表示，韓國汽車製造商現代汽車、德國汽車製造商賓士、日本車企日產汽車和豐田汽車已經與該部門達成了協定，將準備推出首輪氫動力汽車。這一公共部門與私人企業合作模式將會把關注的重點放在氫能源基礎設施的構建上，且將會把這個命名為H2USA。

韓國現代汽車在蔚山工廠舉行了氫燃料電池電動車量產儀式，從本月末起將正式生產途勝ix氫燃料電池電動車。

在歐洲層面上，荷蘭、丹麥、瑞典、法國、英國與德國六國已經達成共同開發推廣氫能源汽車的協定，各國將一同建設一個歐洲氫氣設施網路，並協調能源傳輸。

英國政府提出，將大力發展氫燃料電池汽車，其計畫2030年之前英國氫燃料電池車保有量達到160萬輛，並在2050年之前使其市場占有率達到30%-50%。

我國首輛氫燃料電池電動機車歷時四年終於研製成功，可以用於工業領域，比如礦山牽引車。另外，08年奧運會期間我國自主研製的20輛氫燃料電池轎車投入運營，為首批獲得國家上路許可證的燃料電池汽車，同濟大學參與研製。

2010年6月30日，山東東嶽集團向全世界宣告，中國自主研發的氯鹼用全氟離子膜、燃料電池膜實現國產化。歷經8年科研攻關，打破了美國、日本長期對該項技術的壟斷。與此同時，“東嶽”完成的用於製造燃料電池核心材料磺酸樹脂離子膜的年產500噸的生產裝置已經建成投產，解決了氫燃料電池生產的重大瓶頸，中國由此成為世界上第三個擁有該項技術和產業化能力的國家。

日本電子零件商羅姆與Aqua Fairy和京都大學聯合研發的“高能氫燃料電池”，預定將於明年春季正式上市。這種新型電池是通過氫化鈣和水之間發生的化學反應產生電力，一塊體積不到3立方厘米的燃料電池可以產生5瓦時的電力。可廣泛用於包括智慧型手機在內的多種電子設備，或是在緊急情況下提供後備電力供應。