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什么是氢燃料电池？
在氢燃料电池中，氢气与空气中的氧气发生反应产生电能。
氢燃料电池技术目前处于燃料电池发展的前沿。目前，氢燃料电池是最常用的燃料电池类型。氢是最简单的燃料。在液化状态下，氢具有高能量密度。氢燃烧后生成水蒸气，从而提供了完全脱离碳基能源生产循环的机会。
因此，氢燃料电池具有多项优势，使其成为向更可持续能源系统过渡的重要组成部分。
- 首先，氢燃料电池提供了一种清洁高效的能源。氢燃料电池通过氢气和氧气之间的化学反应产生电能，唯一的副产品是水。这使其成为传统化石燃料能源的低碳环保替代品。
- 其次，氢燃料电池具有高度通用性，可用于多种应用。它们可用于为车辆提供动力，也可为家庭、企业和其他类型的基础设施提供电力。这使其成为向更可持续能源系统过渡的潜在重要组成部分。
氢燃料电池如何工作？
燃料电池从供应的燃料中产生电能和过程热。氢燃料电池的最基本形式由两个电极组成：负极（或阳极）和正极（或阴极）。这两个电极被电解质包围。氢气燃料被供应到阳极，空气（“氧化剂”）——含有氧气——被供应到阴极。在氢燃料电池中，阳极的催化剂将氢分子分离为质子和电子，它们通过不同的路径到达阴极。电子通过外部电路迁移，产生电流。质子通过电解质迁移到阴极，在那里它们与氧气和电子结合生成水和热。
氢燃料电池技术
存在多种不同的燃料电池技术，并非所有技术都使用氢气作为燃料。有些使用其他燃料，如天然气或甲醇。然而，由于其高能量密度和清洁燃烧特性，氢气是目前燃料电池中最常用的燃料。一些氢燃料电池技术的例子包括：
- 质子交换膜（PEM）燃料电池：使用氢气
- 固体氧化物燃料电池：可以使用氢气、天然气或其他燃料
- 磷酸燃料电池：使用氢气
- 碱性燃料电池：使用氢气或其他燃料，如甲醇或乙醇
- 熔融碳酸盐燃料电池：可以使用氢气、天然气或其他燃料
- 直接甲醇燃料电池：使用甲醇作为燃料
- 可再生燃料电池：可以使用氢气、天然气或其他燃料
示例：氢燃料电池测试和验证
氢燃料的类型
氢燃料也有不同的类型。
- 压缩氢气
- 液态氢
- 氢化物
氢的主要分类包括
- 可再生氢，也称为“绿氢”，由太阳能或风能等可再生能源生产。
- 灰氢，由天然气等化石燃料生产。
- 蓝氢，由天然气通过碳捕集与封存（CCS）技术生产。
氢燃料电池系统
氢系统是指生产、储存和分配氢气所需的基础设施和设备。这可能包括氢气生产设施、管道和储罐。
氢燃料电池系统则是指将氢气转化为电能的设备。这可能包括燃料电池、逆变器和其他电气组件。
氢燃料电池可以用于多种系统设置以产生电能和氢气。以下是不同系统设置的简要概述：
| 系统设置 | 描述 |
| 电解 | 通过水的电解生产氢气，使用电能作为输入。生成的氢气随后可用作燃料或储存以备后用。 |
| 燃料电池 | 氢气与氧气在燃料电池中反应产生电能和水。 |
| 混合系统 | 电解系统和燃料电池系统的组合，其中多余的电能用于生产氢气，氢气随后在需要时用于燃料电池发电。 |
氢燃料电池系统的设计原则
为了设计和生产高效的产生电能的氢燃料电池系统，有几个关键的设计原则需要考虑：
- 使用高质量材料：燃料电池需要高质量材料才能有效运行。这包括使用耐腐蚀并能承受高温的材料。
- 控制操作条件：燃料电池在特定的温度和湿度范围内运行最佳。设计系统以控制这些操作条件以优化性能非常重要。
- 高效利用氢气：燃料电池在满负荷运行时效率最高，因此设计系统以充分利用所有可用氢气非常重要。
- 最小化能量损失：能量损失可能由于热传递和电阻等因素而发生。为了最大化氢燃料电池的效率，设计系统以最小化此类损失非常重要。
氢燃料电池可以双向使用吗？
燃料电池电堆可以用于氢气生产和发电。本质上，这类似于将电动机反向用作发电机。然而，燃料电池电堆还包括电池或功率缓冲器的功能。
- 双向使用通常通过混合系统设置实现，该系统结合了电解系统和燃料电池系统。
- 在混合系统中，多余的电能通过水的电解用于生产氢气燃料，以便氢气随后在需要时用于燃料电池发电。
目前大多数燃料电池系统仅设计用于单一用途（如氢气生产或发电）有几个原因。
- 一个原因是每个应用都有特定的要求，必须满足这些要求才能使系统有效运行。例如，氢气生产系统可能要求生产的氢气具有高纯度，而发电系统可能要求高功率输出。
- 此外，某些氢燃料电池技术更适合某一应用。例如，某些燃料电池技术在氢气生产方面效率更高，而其他技术在发电方面效率更高。
总体而言，系统设置（如电解、燃料电池或混合系统）的选择以及所采用的燃料电池技术将取决于应用的具体要求和系统的预期性能。
氢燃料电池的优缺点
优点：高能量密度提高生产力
氢燃料电池在运行过程中不产生二氧化碳排放。即使氢燃料电池或氢燃料的生产目前尚未实现无碳化，这一优势仍然存在。
对于氢动力移动解决方案，无碳运行意味着相对于内燃机车辆的优势，内燃机车辆除了向大气排放二氧化碳外，还可能排放少量有毒的一氧化碳。
氢燃料电池的加注过程简单，大约需要三分钟，性能与内燃机车辆相当。固定应用可以通过管道系统持续供应氢气燃料。相比之下，电池充电目前仍然是一个更复杂且耗时的过程。
液化状态下的氢燃料具有高能量密度，相对于其他类型的燃料具有优势。因此，在携带相同重量的燃料时，加注间隔时间缩短。
优点：能够消除氢燃料生产中的化石燃料使用
通过电解从水中提取氢气并与氧分子分离是可行且可能的。
用于此过程的电流可以来自任何来源。使用太阳能、风能或其他类型的可再生能源发电进行氢电解是实现氢燃料电池无碳化的真正途径。
优点：绿氢可以消除集中式燃料储存和运输的需求
氢气可以以高压储罐中的气体或低温下的液体形式储存。乍一看，所有氢气储存方法都涉及能量损失。压缩氢气需要消耗氢气总能量含量的约 13%，如果液化，理论损失约为 40%。
然而，如果使用绿氢，那么氢燃料的生产、储存和分配可以真正实现分散化。与化石燃料相比，不再需要工业规模的炼油厂、大型储存设施和复杂的长距离管道网络，因为氢燃料可以在同一地点生成、临时储存并在生成后不久分配。
安全处理和复杂材料需求——是劣势还是优势？
氢气高度易燃且容易逸出。如果氢气逸出，可能会腐蚀金属。这反过来会使这些受污染的金属变脆并容易断裂，从而在金属疲劳方面构成安全隐患。
然而，这一所谓的劣势进一步支持了分散式绿氢经济的论点，这种经济将消除长期储存和长距离运输燃料的需求。因为化石燃料同样高度易燃——大多数涉及这一因素的事故发生在长期储存和通过复杂的跨国管道和输送网络将燃料运输到最终接收方的过程中。同样适用于发生在这种基础设施内的灾难对环境的影响，这种可能性在分散式绿氢经济中将完全消除。
燃料电池效率——是劣势还是优势？
氢燃料电池本身比内燃机更节能。虽然锂离子电池是移动解决方案中性能最高的能源之一，但必须考虑生成氢燃料或为电池充电所需的能量——并与今天仍然普遍使用的化石燃料的生产和供应所需的能量进行比较。
就“油箱到车轮”效率而言，氢燃料电池的效率可达 60%。相比之下，典型的汽油内燃机效率为 20-30%，柴油发动机效率可达 46%。锂离子电池提供了最高的效率之一，达到 99%。
然而，这些评级并未考虑从生产到利用的损失。当考虑到以给定能量密度提供燃料时的损失时，氢燃料的来源和生产方法，即“绿氢”、“灰氢”或“蓝氢”，成为决定氢燃料电池技术整体效率的最重要因素。
最后更新：2023 年 2 月 15 日