燃料电池是一种生物以及电化学系统，根据所使用的电解质和制造过程进行分类。通过电化学过程，这些燃料电池产生各种形式的能量，或用于产生基于热的能量或电力，而不需要燃烧或气化等过程。目前有几种燃料电池技术处于原型开发或研究阶段，其中一些突出的技术在使用的电解质、发生的化学反应、涉及的催化剂、工作温度和用作原料的燃料类型方面有所不同。本期笔者就目前已知的燃料电池分类以及特点给您简单科普。

一、燃料电池种类

按照燃料电池中的电解质和工作原理不同，燃料电池的种类可以分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)。以下为各类燃料电池简介。

1、质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。工作原理如下图所示。

PEMFC发展时间较短，较低的运行温度以及灵活的设计结构使得在从移动的汽车电源到一般电源等领域都有着广泛的应用。

PEMFC工作原理图

2、磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池(PAFC)是一种将液态磷酸作为电解液的电池，它被包裹在碳化硅基体中，并由聚四氟乙烯键(PTFE)合而成。其工作原理如下图所示。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，大概在150~200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，不过由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。已有医院和军队将其作为应急电源运行了若干年。

PAFC工作原理图

3、碱性燃料电池

碱性燃料电池（AFC），是最早发明的燃料电池技术之一，被广泛应用于美国太空计划，在航天器上生产电能和水。使用氢氧化钾和水的溶液作为电解液，这反过来又给了在阳极和阴极使用大量非贵金属催化剂的自由。其工作原理图如下图所示。碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电流密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。

AFC工作原理图

4、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以多孔陶瓷基质中悬浮的熔融碳酸盐作为电解质｡常用的熔融盐包括碳酸锂､碳酸钾和碳酸钠｡

熔融碳酸盐燃料电池系统可以使用多种不同燃料,包括煤气､沼气或天然气,没必要使用燃料重整器｡工作原理如下图所示。MCFC的优点在于工作温度较高，反应速度加快；对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整；不需贵金属催化剂，成本较低；采用液体电解质，较易操作。不足之处在于，高温条件下液体电解质的管理较困难，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重，降低了电池的寿命。

MCFC工作原理图

5、固体氧化物电池（SOFC）

固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质采用固体氧化物氧离子(O2-)导体，起传递 O2-及分离空气和燃料的双重作用。SOFC工作原理如下图所示。与其他类型燃料电池相比，SOFC燃料适应性强，可以使用一氧化碳、烃类等作为燃料；此外，其电极电解质材料为陶瓷材料，可显著降低燃料电池的成本；电极总体为全固体结构，制造维护成本低，无电极毒化，无漏液腐蚀，工作寿命长。因此，近年来针对SOFC系统的研究逐渐深入，其在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

sofc工作原理图

二、燃料电池的应用

燃料电池在从运输到固定发电的各个行业中有着广泛的应用。以下是燃料电池技术的一些最常见的应用：

运输：要考虑的主要好处是这些技术可以在没有任何旋转部件的情况下运行，并且不需要使用纯氢作为燃料。由于其轻质和紧凑的结构，PEM 燃料电池最常用于运输应用。

便携式设备：笔记本电脑、手机和其他电子产品等便携式电子产品也可以由燃料电池供电。由于这些燃料电池通常结构紧凑、重量轻，因此非常适合移动应用。

固定式发电：由于燃料电池效率较高，因此可用于固定式应用（例如住宅或商业建筑）中发电。PEM、SOFC 和 PAFC 等燃料电池通常用于小型电力系统。

备用电源：氢气正在成为医院和数据中心不间断电源的更受欢迎的选择。

非武装飞行器：氢燃料电池的航程可达电池系统的三倍。此外，燃料电池可以在几分钟内补充燃料，并且具有更大的能量质量比。

太空探索：AFC（碱性燃料电池）由于能够在零重力下运行，因此通常用于太空应用。

物料搬运设备：物料搬运设备，例如机场的叉车和行李车，也可以由燃料电池供电。该应用的关键因素包括由于加油周期比电池更换更快而降低运营费用。

三、燃料电池优缺点

与其他电源相比，氢燃料电池技术具有多项优势，包括：

1、可再生且随时可用

氢是宇宙中最丰富的元素，尽管从水中提取氢存在挑战，但它是一种独特丰富的可再生能源，非常适合我们未来对热电联产的零碳需求。

2、氢是支持零碳能源战略的清洁灵活能源

氢燃料电池提供了一种固有的清洁能源，在运行过程中不会对环境造成不利影响，因为副产品只是热量和水。与生物燃料或水力发电不同，氢气不需要大面积的土地来生产。事实上，NASA 甚至一直致力于将氢气作为一种资源，并将产生的水作为副产品用作宇航员的饮用水。这表明氢燃料电池是一种无毒燃料来源，因此在这方面优于煤炭、天然气和核能，这些都具有潜在危险或难以获得。氢的生产、储存和使用将通过平衡间歇性供应方式与具有挑战性的最终用户需求，在推动可再生能源的进一步发展方面发挥重要作用，

3、比化石燃料更强大、更节能

氢燃料电池技术提供了一种具有良好能源效率的高密度能源。按重量计算，氢气是所有常见燃料中能量含量最高的。高压气态和液态氢的重量能量密度（约 120MJ/kg）是柴油和液化天然气的三倍左右，体积能量密度与天然气相似。这些

4、与其他能源相比效率高

氢燃料电池比许多其他能源更高效，包括许多绿色能源解决方案。这种燃料效率允许每磅燃料产生更多的能量。例如，传统的燃烧发电厂发电效率为 33-35%，而氢燃料电池的发电效率高达 65%。汽车也是如此，氢燃料电池使用 40-60% 的燃料能量，同时还能减少 50% 的燃料消耗。

5、几乎零排放

氢燃料电池不会像化石燃料来源那样产生温室气体排放，从而减少污染并改善空气质量。

6、减少碳足迹

由于几乎没有排放，氢燃料电池不会释放温室气体，这意味着它们在使用过程中不会产生碳足迹。

7、快速充电时间

氢燃料电池动力装置的充电时间非常快，类似于传统内燃机 (ICE) 车辆的充电时间，并且与电池驱动的电动车辆相比明显更快。在电动汽车需要 30 分钟到几个小时充电的地方，氢燃料电池可以在五分钟内充电。这种快速充电时间意味着氢动力汽车提供与传统汽车相同的灵活性。

8、无噪音污染

氢燃料电池不会像风能等其他可再生能源那样产生噪音污染。这也意味着，与电动汽车非常相似，氢动力汽车比使用传统内燃机的汽车安静得多。

9、无视觉污染

包括风能和生物燃料发电厂在内的一些低碳能源可能会让人眼前一亮，但是氢燃料电池没有相同的空间要求，这意味着视觉污染也更少。

10、使用时间长

氢燃料电池在使用时间方面效率更高。氢燃料汽车的续航里程与使用化石燃料的汽车相同（约 300 英里）。这优于目前电动汽车 (EV) 提供的性能，后者越来越多地使用燃料电池动力装置作为“增程器”进行开发。与电动汽车不同，氢燃料电池也不会受到外界温度的显著影响，并且在寒冷天气下也不会劣化。当加上较短的充电时间时，这一优势会进一步增加。

11、偏远地区使用的理想选择

在当地条件允许的情况下，通过本地发电和储存获得氢气可能被证明是偏远地区柴油发电和供暖的替代方案。这不仅会减少运输燃料的需求，还会通过提供从现成的自然资源中获取的无污染燃料来改善生活在偏远地区的人们的生活。

12、用途广泛

随着技术的进步，氢燃料电池将能够为一系列固定和移动应用提供能量。氢动力汽车只是一个例子，但它也可以用于较小的应用，例如家用产品以及较大规模的供暖系统。与 ICE 动力装置类似，能量存储容量（即燃料箱）和发动机尺寸的功能是分离的，这与基于电池的动力（即功率与质量成线性比例）形成对比，从而在设计上提供了极大的灵活性。

13、供电民主化

氢燃料电池有可能减少一个国家对化石燃料的依赖，这将有助于世界各地能源和电力供应的民主化。这种增加的独立性将证明对目前依赖化石燃料供应的许多国家有利。当然，这也将避免随着库存减少而导致化石燃料价格上涨的问题。

尽管氢燃料电池具有诸多优点，但仍有一些缺点和挑战需要解决：

1、氢气提取

尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但氢本身并不存在，因此需要通过电解从水中提取或从碳化石燃料中分离出来。这两个过程都需要大量的能量才能实现。这种能量可能比从氢本身获得的能量更多，而且价格昂贵。此外，这种提取通常需要使用化石燃料，在没有 CCS 的情况下，这会破坏氢的绿色资质。

2、需要投资

氢燃料电池需要投资才能发展到真正可行的能源来源。这也需要政治意愿来投入时间和金钱进行开发，以改进和成熟技术。简而言之，发展广泛和可持续的氢能的全球挑战是如何以最具成本效益的方式**地逐步建立“供应和需求”链。

3、原材料成本

燃料电池和某些类型的水电解槽通常需要铂和铱等贵金属作为催化剂，这意味着燃料电池（和电解槽）的初始成本可能很高。这种高成本阻止了一些人投资氢燃料电池技术。为了使氢燃料电池成为所有人可行的燃料来源，需要降低此类成本。

4、监管问题

关于定义商业部署模型的框架的监管问题也存在障碍。如果没有明确的监管框架来让商业项目了解其成本和收入基础，商业项目可能难以做出金融投资决策 (FID)。

5、总成本

目前，氢燃料电池单位电力的成本高于其他能源，包括太阳能电池板。这可能会随着技术的进步而改变，但目前这种成本是氢气广泛使用的障碍，尽管氢气一旦生产出来就会更有效率。这笔费用还会进一步影响成本，例如氢动力汽车的价格，因此目前不太可能广泛采用。

6、储氢

氢的储存和运输比化石燃料所需的更复杂。这意味着要考虑将氢燃料电池作为能源的额外成本。

7、基础设施

由于化石燃料已经使用了几十年，因此这种电力供应的基础设施已经存在。氢燃料电池技术在汽车应用中的大规模采用将需要新的加油基础设施来支持它，尽管对于 HGV 和运货卡车等远程应用，很可能会使用从头到尾的加油。

8、高度易燃

氢气是一种高度易燃的燃料来源，这带来了可以理解的安全问题。氢气在空气中以 4% 至 75% 的浓度燃烧。

四、结论

总之，燃料电池技术是一个很有前景的能源生产领域，与传统的燃烧技术相比具有许多优势。燃料电池效率高，除了水和热之外不产生任何排放，并提供高功率密度和长运行时间。尽管仍然存在一些需要解决的挑战，但燃料电池技术的潜在好处使其成为未来值得投资的技术。

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