雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣，同時(shí)氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒，但在燃料電池卻不是利用燃燒來(lái)獲取能量，而是利用氫氣跟氧氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移來(lái)形成電流的，這一過(guò)程最關(guān)鍵的技術(shù)就是利用特殊的“電解質(zhì)薄膜”將氫氣拆分，整個(gè)過(guò)程可以理解成蚊子無(wú)法穿過(guò)紗窗，但是更小的灰塵卻可以……

 

因?yàn)闅浞肿芋w積小，可以透過(guò)薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去，但是在穿越孔洞的過(guò)程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過(guò)，氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子(正電)和電子、將氧氣拆分成氧離子(負(fù)電)和電子，電子在電極板之間形成電流，兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合成為純水，是反應(yīng)的廢物。所以本質(zhì)來(lái)講，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程就是發(fā)電過(guò)程。

 

 

氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

氫燃料電池系統(tǒng)是由電堆(核心)、氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給循環(huán)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)構(gòu)成。

 

氫燃料電池系統(tǒng)核心零部件

 

1、電堆(Galvanicpile)，分為水冷電堆和空冷電堆。一般空冷電堆用于小型化設(shè)備中，如上海攀業(yè)、江蘇清能生產(chǎn)的空冷電堆，功率、體積較小。

 

2、膜電極(MembraneElectrodeAssemblies)，通常由氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、催化劑通過(guò)熱壓工藝制成，是氫燃料電池技術(shù)的核心。目前我國(guó)的膜電極功率密度最高達(dá)到1.0W/cm2,與國(guó)際水平的1.8W/cm2，仍有差距。

 

3、催化劑(Fuel-cellcatalyzer)，具有加速電極交換界面電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)的催化作用，具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕性、催化活性高的特點(diǎn)。鉑(Pt)是氫燃料電池電堆中應(yīng)用最多的催化劑，但鉑很稀缺，價(jià)格高(193元/克)，低鉑和非鉑催化劑成為下一步催化劑研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

 

4、質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane)，是氫燃料電池的心臟，具有為電解質(zhì)提供氫離子通道和隔離兩極反應(yīng)氣體，防止它們直接產(chǎn)生作用的雙重作用。其類型包括：全氟磺酸膜、非全氟化膜、無(wú)氟化膜和復(fù)合膜，其中全氟磺酸膜是主流，主要供應(yīng)商是美國(guó)杜邦公司。

 

5、雙極板(BipolarPlate)，是質(zhì)子交換膜氫燃料電池的關(guān)鍵零部件，影響電池的性能和成本，是制約氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸之一。其類型分為：金屬雙極板、石墨雙極板、復(fù)合雙極板。迄今使用最廣發(fā)的是石墨雙極板，但是他制備加工工藝復(fù)雜，成本較高，不適合批量生產(chǎn)。

 

6、氫燃料電池系統(tǒng)輔件，包括空壓機(jī)、增濕器、氫循環(huán)系統(tǒng)、DC/DC(直流-直流電轉(zhuǎn)換器)。目前空壓機(jī)和DC/DC有國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，但加濕器、氫循環(huán)系統(tǒng)我國(guó)處于空白狀態(tài)，全部依賴進(jìn)口。

 

氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)

 

1、潔凈、安全的發(fā)電裝置：從發(fā)電廠、工廠，以及汽車等排出的大量各種物質(zhì)是造成大氣污染和地球溫暖化的主要原因。而燃料電池可以替代這些正在使用的鍋爐和內(nèi)燃機(jī)等。

 

2、多燃料系統(tǒng)：在地球上，氫絕大多數(shù)是以化合物的形式存在。比如：氫氧化合物(水)和碳?xì)浠衔铩？梢宰鳛槿剂想姵卦鲜褂玫奶細(xì)浠衔镏饕獊?lái)源于天然氣、液化氣、石油和煤炭等化石燃料。可根據(jù)各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料。

 

3、高效率的發(fā)電裝置。

 

4、分散型的發(fā)電裝置：規(guī)模最大的可以替代火力發(fā)電或核能發(fā)電，用于商業(yè)發(fā)電。不需要龐大的設(shè)備，不需要變送電系統(tǒng);與核能相比，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性較小。可以建在大城市的近郊。規(guī)模稍小的可以建在住宅小區(qū)、辦公樓、廠區(qū)甚至城市的中心地帶。可以減少因長(zhǎng)距離輸送電力而產(chǎn)生的損耗。面向個(gè)人用途的超小型燃料電池可以作為筆記本電腦和移動(dòng)便攜電話的電源。

 

氫能源的特點(diǎn)

 

1、所有元素中氫重量最輕，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L;在-252.7℃時(shí)，可以成為液體，若將壓力增大到數(shù)十MPa，液氫就可以變成金屬液;

 

2、所有氣體中氫的導(dǎo)熱性最好，比大多氣體的導(dǎo)熱性高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫時(shí)極好的傳熱載體;

 

3、氫是自然界中最普遍的元素，據(jù)估計(jì)它構(gòu)成宇宙質(zhì)量的75%，出空氣中含有氫氣外，它主要以化合物的形式儲(chǔ)存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)，據(jù)推算，如果把海水中的氫全部提取出來(lái)，它所產(chǎn)生的熱量還大9000倍;

 

4、除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化石燃料和生物燃料中最高的，為142351kJ/kg,是汽油發(fā)熱值的3倍;

 

5、氫燃料新能好、點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃料速度快;

 

6、氫本身無(wú)毒，與其它燃料相比氫燃燒時(shí)最清潔，除生成水和少量的氮化氫外不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚硪膊粫?huì)污染環(huán)境，而且燃燒生成的水還可以繼續(xù)之氫，反復(fù)循環(huán)使用;

 

6、氫能利用形式多，既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)化為固體氫用作結(jié)構(gòu)材料，用氫代替煤和石油，不需要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)裝備在中大改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改動(dòng)即可使用;

 

7、氫可以以氣態(tài)、液體或固態(tài)的金屬氧化物出現(xiàn)，能適應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。

 

有以上特點(diǎn)可知，氫能源與其他能源相比有很大的優(yōu)勢(shì)，有關(guān)專家表示，利用氫能，將成為解決未來(lái)人類能源危機(jī)的終極方案。面對(duì)全球能源枯竭的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，氫能正成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)之一。氫能之所以還沒(méi)有被廣泛利用，主要是因?yàn)闅淠芗夹g(shù)還面臨著許多困難和挑戰(zhàn)：一是氫能制取成本高。如果從水中直接提起氫，需要用電解技術(shù)，成本太高，在經(jīng)濟(jì)上不具備競(jìng)爭(zhēng)性;二是氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸，存在技術(shù)和安全障礙;三氫能利用需要配套的基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施都需要大量資金投入。盡管氫能利用受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)約束，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)看，氫能最終將成為人類社會(huì)的主流能源之一。

 

氫燃料電池發(fā)展中遇到的困難

 

1、氫氣的制取

 

一般工業(yè)制氫方法有電解水、臺(tái)烴的化石燃料中制氫、太陽(yáng)能光電化學(xué)分解熱化學(xué)制氫制氫、光和微生物制氫等多種方法，但是目前還沒(méi)有一種價(jià)格低廉、無(wú)污染、制作工藝成熟、技術(shù)優(yōu)良的工藝方法，這個(gè)也是我們技術(shù)攻關(guān)的方向和目標(biāo)。

 

2、氫氣的儲(chǔ)存

 

一般的儲(chǔ)存方法有常壓儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)氫[7]。金屬氫化物儲(chǔ)氫以及吸附儲(chǔ)存，由于氫特別輕，無(wú)色無(wú)味，而凡容易泄漏、易在空氣中達(dá)到爆炸極限濃度就會(huì)發(fā)生爆炸，所以氫的儲(chǔ)存成為了制取之后又一個(gè)技術(shù)性難題。