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燃料电池如何工作？
燃料电池是一种通过电化学反应将氢的化学能转化为电能的装置。燃料电池可用作多种应用的电力来源，包括车辆、便携式发电机和固定式电力系统。
燃料电池的基本部件包括阳极、阴极和电解质膜。氢气被输送到阳极，在那里被分解成质子和电子。质子穿过电解质膜，而电子则被迫通过外部电路，产生电流。在阴极，质子和电子与空气中的氧气重新结合，产生水和热量作为副产品。
燃料电池是如何制造的？
制造特定类型燃料电池的组成和材料在很大程度上取决于用于产生电能的燃料和氧化剂的类型。原则上，每个燃料电池都由阳极、阴极和电解质组成。它们被设计成多个薄层，通常使用膜。这样做的目的是最大限度地增加允许发生化学反应的表面积。膜由适合特定燃料电池类型的材料制成，具体取决于所用的燃料——因此取决于实际发生的化学反应。
燃料电池中的铂
铂在燃料电池工程中发挥着重要作用。这种惰性金属通常用作燃料电池中的催化剂，特别是质子交换膜 (PEM) 燃料电池中的催化剂，以促进阳极和阴极发生的电化学反应。铂燃料电池膜涂层是一种有效的催化剂，因为它具有高表面积和促进氢分子和氧分子之间电子转移的能力。
然而，铂金也是一种相对昂贵且稀缺的资源，这就是为什么目前对燃料电池的研究集中在减少燃料电池中使用的铂金量，包括：
- 使用替代催化剂：研究人员正在探索使用替代催化剂，如钴、铁和镍，它们可能能够发挥与铂相同的功能，但成本更低。
- 开发新型催化剂材料：研究人员还致力于开发效率更高、需铂量更少的新型催化剂材料。
- 开发新型催化剂设计：研究人员正在研究新型催化剂设计，这种催化剂可能运行更高效，所需铂金更少。
总体而言，由于工程师们努力提高燃料电池技术的效率和成本效益，铂在燃料电池中的使用可能会继续成为研发的主题。
燃料电池技术
燃料电池化学是燃料电池设计的核心。每种设计都基于特定的电化学燃料电池反应（所谓的微生物燃料电池或酶生物燃料电池除外）。
例如：燃料电池双极板
燃料电池如何发电？
所有类型的燃料电池设计都是通过电化学过程将气态物质转化为残留副产品，从而释放电子，从而产生电能作为功率输出。
电流是通过与空气中的氧气发生化学反应而产生的。一般来说，燃料电池以其使用的燃料类型而有所不同。氢燃料电池是目前最常用的燃料电池类型。
燃料电池的类型
燃料电池技术有多种，其中一些使用多种燃料。一些燃料电池技术使用天然气或甲醇。但如今，氢气因其高能量密度和清洁燃烧特性而成为燃料电池中最常用的燃料。因此，氢燃料电池技术如今最为流行。
以下是燃料电池技术及其所用燃料类型的一些示例：
- PEM质子交换膜燃料电池：使用氢气
- SOFC固体氧化物燃料电池技术：可使用氢气、天然气或其他燃料
- 磷酸燃料电池：使用氢气
- 碱性燃料电池：使用氢或其他燃料，如甲醇或乙醇
- 熔融碳酸盐燃料电池：可使用氢气、天然气或其他燃料
- 直接甲醇燃料电池：使用甲醇作为燃料
- 再生燃料电池：可使用氢气、天然气或其他燃料
燃料电池的应用场景
燃料电池的用途从各种氢能移动解决方案延伸至多种燃料电池发电应用。
组件的标准化和模块化设计使得燃料电池技术普遍适用于现代工业化经济体中的所有发电场景。
优缺点：燃料电池、电池、内燃机
燃料电池效率
在某些情况下，燃料电池比内燃机更高效。燃料电池的能量转换效率比内燃机更高，这意味着燃料电池可以将燃料中储存的大部分能量转化为有用功。
燃料电池比内燃机或电池更高效吗？
值得注意的是，燃料电池系统的整体效率取决于许多因素，包括燃料电池的类型、运行条件以及所产生电力的用途。在某些情况下，燃料电池的效率可能不如其他技术，例如电池或先进的内燃机。
燃料电池可以充电吗？
从定义上讲，燃料电池本身并不是“可充电”的。但有些设计将电池和燃料电池结合在一起，以充分利用两种技术的最佳特性，从而最大限度地提高整体效率。电池充当低负载或无负载条件下产生的电能的缓冲器和储存器。由此产生的燃料电池系统可能被视为可充电的。
在一些设计中，燃料电池产生的多余电能用于电解水蒸气，水蒸气是发电电化学过程的残留副产品。这样产生的氢气被储存起来，供将来在同一燃料电池中用作燃料。
比较——优点和缺点
| 燃料电池的优点 | 电池的优点 | 内燃机的优点 |
| 高能量密度 | 质量轻 | 高功率密度 |
| 高比能 | 高比能 | 高效 |
| 使用寿命长 | 使用寿命长 | 低成本 |
| 快速填充 | 快速充电 | 广泛应用 |
| 零排放 | 零排放 |
| 燃料电池的缺点 | 电池的缺点 | 内燃机的缺点 |
| 成本高 | 能量密度低 | 高排放量 |
| 复杂的基础设施 | 充电/放电循环次数有限 | 低负荷时效率有限 |
| 氢气供应有限 | 比能量低 |
燃料电池——安全性和环境方面的利弊
燃料电池对环境有害吗？鉴于燃料电池技术被认为是利用可再生能源建设可持续经济的最佳解决方案，这个问题的答案至关重要。确切的答案取决于使用哪种类型的燃料电池。
对于氢燃料电池来说，可以排除排放对直接环境造成的损害，因为这种技术只排放水蒸气。但氢燃料的生产方式也起着一定的作用。当比较从化石燃料中获得的所谓“灰色”氢、结合碳捕获技术生产的“蓝色”氢和利用可再生能源技术生产的“绿色”氢时，只有最后一个选项可以肯定地说“不”：绿色氢是终极环保燃料。
燃料电池安全吗？
显而易见，处理各种类型和设计的燃料电池中使用的氢气等气态易燃燃料需要复杂而专用的安全系统。管理燃料电池技术固有的风险是其广泛实施过程中需要克服的挑战之一。
燃料电池的危险性已为人们所熟知，并已在其他技术和行业中以分项或各种组合的方式进行了管理。业内人士相信，所用燃料和所需材料带来的工程挑战是可以克服的，可以隔离和控制安全隐患。
最后更新：2023 年 2 月 15 日