燃料电池

什么是燃料电池?

一个燃料电池通过让氢分子穿过一种将其分裂成正电荷原子(质子)和负电荷原子(电子)的材料来发电。这些电子和质子一起工作主要完成两件事。首先，电子被用来发电。其次，在这个过程的最后，电子和质子与氧重新结合，以产生燃料电池的主要输出之一:水。

燃料电池利用化学的基本原理来发电．这意味着燃料电池将氢分子的化学势能(储存在分子键中的能量)转化为电能。燃料电池不是利用燃烧来发电，而是利用电化学反应。18金宝搏官网

有哪些不同类型的燃料?

有很多不同类型的燃料电池，但是所有类型都使用电化学过程将氢的化学能转化为水和电．所有的燃料电池都使用氢作为输入燃料，但氢通常来自碳氢化合物(存在于原油、天然气和煤中)。氢的来源是燃料电池系统是否完全零排放的最大决定因素。如果燃料电池是由水转化而来的氢提供动力，那么这个过程是零排放的。在目前的大多数情况下，氢是从石油和煤炭等来源产生的，因此使其产生碳。要进一步探讨这个话题，请参阅下面的章节:“燃料电池是绿色的吗?”

燃料电池的分类主要是由它们使用的电解质种类决定的．这种分类决定了电池中发生的电化学反应的种类、所需的催化剂种类、电池工作的温度范围、所需的燃料以及其他因素。18金宝搏官网(*有关所有类型燃料电池的完整列表，请参阅本节末尾的表格。)

燃料电池是如何工作的?

的最常见的燃料电池是一个质子交换膜(PEM)电池．PEM燃料电池有四个基本要素:

1. 阳极。这是燃料电池的负面职位，有几个重要的工作。首先，它引导从氢分子中释放出来的电子，这样它们就可以用于外部电路。其次，它容纳了在催化剂表面均匀分散氢的通道。
2. 阴极．这是燃料电池的积极作用，有几个重要的工作。首先，它容纳了将氧气分配到催化剂表面的通道。其次，它将电子从外部电路引导回催化剂，在那里它们与氢离子和氧重新结合形成水。
3. 电解液．类似于普通的塑料厨房包装，这是质子交换膜(PEM)，只传导带正电的离子。它还会阻挡电子，迫使电子沿着替代电路为电机之类的东西提供动力。
4. 催化剂。这是一种特殊的材料，可以促进氧和氢的反应。18金宝搏官网催化剂通常是用铂纳米粒子组装而成，并将其薄层涂在碳纸或布上，催化剂必须粗糙且多孔，这样铂的最大表面积才能暴露在氢或氧中。催化剂镀铂的一面面向PEM。

加压氢气从阳极一侧进入燃料电池，然后在压力作用下通过催化剂。当一个氢分子与催化剂上的铂接触时，它分裂成两个带正电的氢离子(质子)和两个带负电的氢离子(电子)。电子通过阳极传导，并被迫通过外部电路，这就是产生电的地方!一旦电子进入外部电路，根据燃料电池提供的动力，外部电路可以连接到电机上，或者如果将其他电池排列成一堆，则可以与它们的电力输出结合起来。在通过外部电路后，电子返回到燃料电池的阴极侧。

在燃料电池的阴极一侧，氧气被迫通过催化剂，在那里形成两个氧原子。每个原子都带负电，这吸引了两个带正电的氢离子穿过膜。穿过膜后，两个带正电的氢离子与一个氧原子和两个来自外部电路的电子结合，形成一个水分子。

燃料电池是“绿色的”吗?

在关于可再生能源的讨论中，燃料电池经常被提到，因为它们提供了一种“高效、燃料灵活的技术，可以以低排放或零排放的方式清洁地发电和供热”。还有许多用途，例如:主备用热电系统的分布式电源，汽车，公共汽车，叉车和其他特种车辆，辅助电源单元和便携式电子设备。

正如美国能源部所指出的那样，“燃料电池的应用有可能对21世纪的清洁能源经济产生巨大影响。”

但当回答燃料电池是否完全“绿色”的问题时，答案就有点令人困惑了。由于生产氢气为燃料电池提供动力的方法多种多样，令人失望的是，大多数燃料电池基础设施导致了进一步的碳排放和破坏性的环境实践。如上所述，氢的常见来源是碳氢化合物，而碳氢化合物是煤和原油等物质的组成部分。

截至2019年，全世界每年生产的6000亿立方米氢气中，只有2%是通过水电解生产的，这是真正的绿色和零排放。大部分氢气(约98%)是由化石燃料产生的，因此会释放二氧化碳，进一步助长了一个剥削性和破坏性的工业。在化石燃料产生的氢中，大约有25%是这样的主要在中国通过煤气化生产．

虽然氢生产对化石燃料的依赖使燃料电池无法成为100%的可再生能源，但有一些替代品可以引领燃料电池清洁能源生产的新时代。也就是说，在进一步开发可负担和可扩展的技术方面可以取得很多进展电解(水分子分裂成氢原子和氧原子，即绿色方式)。当电解是由可再生能源驱动的，整个过程可以是无碳的。

微电网和燃料电池:有哪些可能性?

一个118bet金博宝app 电网是一组相互连接的负载和分布式能源，在明确定义的电气边界内，就电网而言，它们是一个单一的可控实体。微电网基础设施通常包括发电和能源负荷管理的组合。

将燃料电池引入微电网提供季节性或长期存储，超出电池存储所能提供的．西门子(Siemens)美国微电网销售和战略主管斯科特•凯斯勒(Scott Kessler)表示，确实存在在微电网中使用氢的两种主要方式．第一种方法是燃料电池用氢气发电，这意味着在微电网中有足够的氢气供应。第二种选择是使用电解槽，它从水中产生氢气，并储存多余的氢气以备需要能量时使用。

将氢引入微电网可以实现灵活性。“你可以制造压缩气体并长时间储存。你可以在夏天100%使用可再生能源，而在冬天就会出现赤字。氢气是一个将部分生产推向冬季的机会，”凯斯勒说。Rob Hovsapian说这种整合的一个特别有希望的方面是，氢电解槽是可控制的负载，可以增强微电网的整体灵活性。

例如，社区中心、消防部门或医疗综合体可以在现场将氢气储存在气罐中，同时也可以使用燃料电池。如果他们产生的电力超过了他们的消费能力，那么多余的电力可以卖回给电网。该系统的操作与现场的柴油发电机非常相似，除了没有排放，氢燃料电池系统可以与其他可再生能源有效地结合使用。

为了实施这个系统，社区将不得不购买电解槽和燃料电池来放电。克里斯·阿洛，公司总裁ElektrikGreen他说目前，美国政府为氢能源系统提供了30%的补贴，需要1-15年的时间才能从节能投资中获得回报．一个好处是，知道这个系统将提供可靠的电力，而且不会增加碳排放，让人安心。

资源

燃料电池——利与弊

优点：

• 使用H2和O2时效率高，无碳。
• 可以使用可再生燃料
• 不需要充电
• 可以全天候运行，提供基本负载功率
• 没有活动部件，噪音很小
• 非常适合分布式发电
• 可以反向运行用于能量储存，从电和水产生氢吗

缺点：

• 由于铂等原材料价格昂贵以及电解技术的发展需要，成本高
• 可靠性、耐久性和坚固性仍在研究中
• 氢储存的安全问题
• 与汽油相比，燃料密度低
• 因此，大型和重型燃料电池系统可能难以在人口稠密的地区安装
• 如果氢不能从水中产生，我们将继续依赖化石燃料

燃料电池的种类

• 聚合物电解质膜燃料电池这些已经被美国能源部确定为最有可能应用于交通运输的燃料电池，也是最常见的燃料电池类型之一
• 直接甲醇燃料电池它们由纯甲醇提供动力，通常与水混合并直接馈送到燃料电池的负极(阳极)
• 碱性燃料电池这些是最古老的燃料电池自20世纪60年代以来一直被美国宇航局使用．因为他们是易受二氧化碳污染它们需要纯氢和纯氧
• 磷酸燃料电池这些电池使用液态磷酸作为电解质，被认为是“第一代”现代燃料电池
• 熔融碳酸盐燃料电池这些电池目前正在为天然气和煤基发电厂开发，用于电力公用事业、工业和军事应用
• 固体氧化物燃料电池:这些细胞主要由布鲁姆能源它是燃料电池领域的领导者，并且非常紧凑和薄，以实现最佳堆叠
• 可逆燃料电池这些燃料电池与风能和太阳能一起工作。氢屋由Mike Strizki发明的，是这种燃料电池实际应用的一个例子