氢燃料电池工作原理和分类

目前使用的种类熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）磷酸燃料电池（PAFC）固体高分子燃料电池（PEFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作原理氢燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：(3)在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：总的化学反应为：电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。eHH222OHeHO22222/1OHOH2222/1氢燃料电池车的工作原理将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转换效率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车。各种氢燃料电池车一次性加满氢燃料后的最大行驶里程约为240公里帕萨特领驭燃料电池轿车一次加满燃料的续航里程达235公里，最高时速为145公里/小时。与传统燃料、汽油等车型相比，能量转换效率高达80%，是普通内燃机的3倍。这款车搭载最新e-flex氢燃料电池驱动系统，通过氢燃料转化成电能作为动力。该车一次续航里程可达483公里，百公里加速仅为8.5秒。上市时间2011年。这是一款全新的2+2多用途CUV车型，搭载氢燃料电池，最大功率达136马力。充满氢燃料后，续航距离能达600公里，它的最高车速为165公里/小时。上市时间2012年。推出的氢燃料电池999型汽车最高时速可达每小时207.3英里农业机械品牌妞荷兰（NEWHOLLAND）推出了以氢燃料电池为动力的拖拉机，它的名字叫NH2，可以驱动一台106马力的电动机，四轮驱动氢的制取目前，获得氢燃料的方法有很多种，比如分解水、裂解石油和煤、分解植物等，但是最环保而且最可持续的方法还是电解水，因为水作为氢能源的原料是可以循环利用的。能源公司从大自然中获取水分解成氢燃料，氢燃料燃烧后变成水回到大自然。更妙的是，用水分解获得氢燃料不但不会产生污染物，而且会生成氧气这种很好的工业原料；而氢燃料燃烧后也不会生成污染物。制氢方法对比电解水制氢主要问题：能耗高，效率低各国科学家正在开发高效水电解法：例如：日本开发的高温加压水电解法，效率达到75％，美国通用电气公司开发的SPE法，效率达90％。生物制氢（发酵制氢和光合制氢）优点：过程大都在室温和常压下进行，不仅消耗小，环境友好，还可以充分利用各种废弃物。缺点：光能利用率低、产氢量小等，离大规模的工业化生产尚有距离。太阳能制氢(光解水和氧化物还原)用阳光分解水是—种最理想的方法，也可能是未来制造氢气的基本方法。地球的水资源极其丰富，太阳能也堪称取之不尽的能源但是，水分子中氢和氧原子结合的化学键相当稳定，想用光分解水就必须使用催化剂。日本科学家研制成了分解水的新型催化剂，在阳光的可见光波段就能把水分解为燃料电池所必需的氧和氢。但这种方法也存在光电转化效率低的问题。核能制氢核电为电解水制氢提供电力；反应堆中的核裂变过程所产生的高温直接用于热化学制氢。与电解水制氢相比，热化学过程制氢的效率较高，成本较低。国内制氢工艺技术国内制氢工艺主要有电解水制氢和以煤、石油脑、炼厂气、焦炉气、天然气为原料在高温下进行蒸汽转化的制氢工艺。一些合成氨装置、甲醇装置将含氢尾气等气体利用变压吸附技术回收少量的氢气。太阳能热化学循环制氢首先,由太阳能聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温。然后由这些高温推动产氢的化学反应以制取氢气。目前,国内外广泛研究的热化学制氢反应有水的热分解(thermolysis)、H2S的热分解和热化学循环水分解。病毒提取氢提出者：美国女科学家安琪拉·贝尔彻M13病毒进行基因改造后，再让它吸附一个催化剂分子氧化铱和一个吸光物质锌卟啉，吸光物质源源不断地将阳光沿着病毒传递。在这样一个过程中，病毒充当了太阳能的传输通道，可以把太阳能从吸光物质传输到催化剂。在催化剂和太阳能的共同作用下，水就分解成了氢气和氧气。把氢气进行液化和压缩，就变成了高效清洁的绿色能源。比起太阳能电池板分解氢气，用病毒制造氢气的效率提高了4倍。2008年6月，日本Genepax公司在大阪发布了仅需要1公升水即可以80公里的时速行驶一小时的车。声称：只要不断加水，这辆车就可以作无距离限制的行驶。该车使用了膜电极组（MembraneElectrodeAssembly，MEA）的技术——该技术可以将水通过化学反应分解为氢气和氧气，进而以此推动汽车前进。此技术成功地让MEA利用水生产出氢来。该公司表示，这一化学过程类似于氢化金属和水反应产生氢，但他们表示这种技术效率是目前为止最先进的，比现有的技术效率更高，成本也更低，能让水产生更长时间的氢。在该新技术下，新型的燃料电池只需水和空气就能制造出氢，因此就可以不用再配备贮存高压氢的油箱了。而且，膜电极组不需要特殊的催化剂，只需一些稀有金属如铂，这在现有的系统中也存在。据测算，其使用寿命可达1年以上。