如今，世界正竞相迈向可持续能源的未来。虽然最终的胜利者尚不清楚，但氢已经成为明显的领跑者，为能源生产、分配和应用提供了无数的可能性。为了解开“燃料电池优势”这个标题的谜团，让我们先从什么是燃料电池及其类型开始，然后我们将发现它们的所有优点和缺点。
燃料电池已经存在 150 多年，是一种取之不尽、生态安全且随时可用的能源。那么，为什么它们还没有得到广泛使用呢？直到最近，原因都是成本问题。燃料电池的制造成本高得令人望而却步。现在情况已经不同了。
什么是燃料电池？
燃料电池是一种将化学能转化为可用电流的电化学装置。每个燃料电池都有两个电极，分别称为阳极和阴极。产生电能的反应就在这些电极上进行。
每个燃料电池都包含电解质，用于将带电粒子从一个电极输送到另一个电极；以及催化剂，用于加速电极上的反应。虽然氢气是最基本的燃料，但燃料电池也需要氧气。燃料电池最吸引人的优点之一是其产生的污染极少——产生能量所需的氢气和氧气最终混合生成无害的副产品，主要是水。
单个燃料电池产生的直流电微不足道。实际上，多个燃料电池经常堆叠在一起。无论是在电池中还是在堆栈中，概念都是相同的。之后，让我们探讨一下燃料电池的优点和缺点。
4 燃料电池的优点和缺点
威尔士法官、发明家兼科学家威廉·罗伯特·格罗夫爵士于1839年发明了第一台燃料电池。他通过在电解质存在下将氢气和氧气结合，产生了电能和水。这项后来被称为燃料电池的创新技术，产生的电量不足以满足实际应用需求。那么，让我们来探讨一下燃料电池的一些优缺点。
优势
1. 无需充值
燃料电池不需要充电。燃料电池可以复制能量，直到补充燃料为止。
2. 没有健康问题
燃料电池并不危险，也不会造成健康问题，因为它们在运行时不会产生烟雾。
3。 高效
燃料电池非常高效，因为它们可以将化学能直接转化为电能。与市场上其他可用的替代品相比，燃料电池的效率高出 60%。
4. 无污染
燃料电池对空气污染没有负面影响。这是燃料电池众多优点中最显著的优点之一。由于燃料电池没有机械部件，因此完全无声，不会产生噪音污染。
如果使用氢作为输入燃料，唯一能注意到的副产品就是水、热和电，从而实现最高效率并且不会排放有害物质。
缺点
1. 昂贵且不持久
燃料电池有优点，也有缺点。比如，燃料电池本质上相当昂贵。燃料电池的寿命较短。
2. 难以储存
燃料电池难以储存，因为电池中使用的燃料必须保持在特定的温度和压力水平。
3. 不安全和危险
氢气是一种非常易燃的燃料，这会带来明显的安全问题。在空气中，氢气的燃烧浓度范围为 4% 至 75%。
4. 提取困难
尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但它并不单独存在，因此必须通过电解从水中收集或从碳基化石燃料中分离出来。这两种方法都需要大量能量才能完成。
这种能源的成本可能比从氢气本身获取的能源更高。此外，由于缺乏 CCS，这种能源的获取往往需要使用化石燃料，从而损害了氢气的生态效益。
燃料电池有哪些类型？
了解了燃料电池的优缺点之后，我们再来了解一下各种类型的燃料电池。燃料电池的主要区别在于所使用的电解质类型。这种分类定义了以下几种类型：
- 电池中发生的电化学过程
- 所需催化剂的类型
- 电池工作的温度范围
- 所需燃料和其他标准。
这些特性反过来又影响了这些电池最适合的应用。目前正在开发几种燃料电池，每种都有各自的优点、局限性和可能的应用。了解以下有关燃料电池类型的更多信息。
1.电解质膜聚合物燃料电池
聚合物电解质膜（PEM）燃料电池，也称为质子交换膜燃料电池，与传统燃料电池相比，具有更高的功率密度和更小的重量和体积。PEM燃料电池的电解质是固体聚合物，电极是多孔碳，并负载有铂或铂合金催化剂。它们只需氢气、空气中的氧气和水即可工作。通常情况下，它们由储氢罐或重整器提供的纯氢驱动。
PEM燃料电池通常在80°C (176°F) 左右的低温下工作。低温运行使其能够快速启动（缩短预热时间），并减少系统部件的磨损，从而提高耐用性。然而，这需要使用贵金属催化剂（通常是铂）来分离氢的电子和质子，从而增加了系统成本。由于铂催化剂对一氧化碳中毒特别敏感，如果氢气是由碳氢燃料制取，则需要额外的反应器来去除燃料气中的一氧化碳。该反应器也价格昂贵。
PEM燃料电池主要应用于交通运输和一些固定式应用领域。PEM燃料电池尤其适用于汽车应用，例如轿车、公共汽车和重型卡车。
2. 直接甲醇燃料电池
大多数燃料电池以氢气为燃料，氢气可以直接输送到系统中，也可以通过重整富氢燃料（如甲醇、乙醇和碳氢燃料）在系统内制取。然而，直接甲醇燃料电池（DMFC）则以纯甲醇为燃料，甲醇通常与水混合后直接输送到燃料电池阳极。
甲醇的能量密度高于氢气，但低于汽油或柴油。直接甲醇燃料电池避免了许多困扰某些燃料电池系统的燃料储存问题。由于甲醇和汽油一样是液体，因此也更容易利用现有基础设施进行运输和供应。直接甲醇燃料电池常用于为手机和笔记本电脑等便携式燃料电池设备供电。
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，也是美国太空计划中最早广泛应用的一种燃料电池，用于在航天器上产生电能和水。这类燃料电池的电解质是氢氧化钾的水溶液，阳极和阴极可以是多种非贵金属。
这种燃料电池面临的一大挑战是容易受到二氧化碳（CO2）中毒的影响。事实上，即使空气中痕量的CO2也会因碳酸盐的生成而对电池的性能和耐久性产生显著影响。采用液态电解质的碱性电池可以循环运行，这种模式允许电解质再生，从而有助于减轻电解质中碳酸盐生成的影响，但同时也引入了分流电流的问题。
液态电解质体系的其他问题包括润湿性差、腐蚀性增强以及压差控制困难。碱性膜燃料电池（AMFC）解决了这些问题，与液态电解质AFC相比，AMFC不易受CO2中毒的影响。然而，CO2仍然会对性能产生影响，AMFC的性能和耐久性不如PEMFC。
AMFC 的应用范围从瓦级到千瓦级，目前正在进行相关研究。对二氧化碳的耐受性、膜的导电性和耐久性、更高的运行温度、水管理、功率密度和阳极电催化都是 AMFC 面临的挑战。
4. 磷酸细胞
磷酸燃料电池（PAFC）使用液态磷酸作为电解质（磷酸被固定在聚四氟乙烯粘结的碳化硅基体中），并采用多孔碳电极和铂催化剂。右图展示了电池中发生的电化学反应。
PAFC被认为是第一代现代燃料电池。它是发展最成熟的燃料电池类型之一，也是首个实现商业化的燃料电池。虽然这类燃料电池通常用于固定式发电，但一些PAFC也被用于为大型车辆（例如城市公交车）提供动力。
与PEM电池相比， PAFC对重整化石燃料中的杂质具有更强的抵抗力。PEM电池容易受到一氧化碳的“毒化”，因为一氧化碳会与阳极的铂催化剂结合，从而降低燃料电池的效率。PAFC在同时用于发电和供热时效率超过85%，但仅用于发电时效率较低（37%-42%）。
铂族燃料电池（PAFC）的效率仅比燃烧式发电厂略高，后者的效率通常在33%左右。在相同重量和体积下，PAFC的功率也低于其他燃料电池。因此，这类燃料电池通常体积庞大且笨重。此外，PAFC的成本也很高。与其他类型的燃料电池相比，它们需要更高的铂催化剂负载量，这进一步推高了成本。
5. 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）正被开发用于天然气和燃煤电厂，以及电力、工业和军事领域。MCFC是一种高温燃料电池，其电解质由漂浮在多孔、化学惰性的陶瓷锂铝氧化物基体中的熔融碳酸盐组成。由于非贵金属可在高达650°C（约1,200°F）的温度下工作，因此可将其用作阳极和阴极的催化剂。
与磷酸燃料电池相比，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）具有显著成本优势的另一个原因是其效率更高。当与涡轮机结合使用时，熔融碳酸盐燃料电池的效率可接近65%，远高于磷酸燃料电池37%-42%的效率。如果回收并利用废热，整体燃料效率甚至可以超过85%。
MCFC无需外部重整装置即可将天然气和沼气转化为氢气。由于MCFC在高温下运行，这些燃料中的甲烷和其他轻烃会在燃料电池内部通过称为内部重整的过程转化为氢气，这也有助于节省成本。
现有熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）技术的根本缺点是寿命短。这些电池的高工作温度以及所使用的腐蚀性电解液会加速部件的损坏和腐蚀，从而缩短电池寿命。科学家们目前正在研究用于部件的耐腐蚀材料，以及能够在不影响性能的前提下将电池寿命从目前的40,000小时（五年）延长一倍的燃料电池设计。
6. 固体氧化物燃料电池
在固体氧化物燃料电池（SOFC）中，电解质是致密、无孔的陶瓷。SOFC 将燃料转化为电能的效率约为 60%。在旨在捕获和利用系统废热（热电联产）的系统中，整体燃料利用效率可以超过 85%。
固体氧化物燃料电池（SOFC）可在高达1,000°C (1,830°F) 的极高温度下运行。高温运行无需贵金属催化剂，从而降低了成本。此外，它还使SOFC能够进行内部燃料重整，使其能够使用更广泛的燃料，并降低在系统中添加重整器的成本。
SOFC 也是最耐硫的燃料电池类型，能够承受比其他类型的电池高出几个数量级的硫。此外，它们不会受到一氧化碳的损害，甚至可以用作燃料。这一特性使 SOFC 能够使用天然气、沼气和煤制气。在高温下运行存在缺点。
它会导致启动延迟，并且需要大量的隔热措施来保持温度并保护员工，这对于公用事业用途来说没问题，但对于交通运输来说则不适用。由于工作温度很高，材料必须满足严格的耐久性标准。这项技术的主要技术难点在于开发出在电池工作温度下具有高耐久性的低成本材料。
科学家们目前正在研究制造运行温度在 700°C 或以下的低温 SOFC 的可能性，这种 SOFC 的耐久性问题更少，而且成本更低。低温 SOFC 的性能尚未达到高温系统的性能，而且用于这种低温范围的电池堆材料仍在开发中。
7.可逆燃料电池
与传统燃料电池类似，可逆燃料电池也是利用氢气和氧气发电，同时产生热量和水作为副产品。但可逆燃料电池系统则不同，它可以利用太阳能、风能或其他能源产生的电力，通过电解过程将水分解成氧气和氢气燃料。
可逆燃料电池可以在需要时发电，但在其他技术高功率输出期间（例如，强风导致可用风能过剩时），可逆燃料电池可以将多余的能量以氢气的形式储存起来。这种储能能力有望彻底改变间歇性可再生能源技术。接下来，让我们了解一下燃料电池的工作原理。
另请参阅：印度三大绿色能源股票
燃料电池的工作原理是什么？
了解了燃料电池的优势之后，您还应该了解燃料电池的工作原理。燃料电池由两个电极组成，即阳极和阴极，它们之间由电解质膜隔开。氢气、甲烷、乙烷、乙醇和其他有机燃料都可以在燃料电池中用于发电。这些燃料发生不完全燃烧，并释放热量作为副产物。这些反应大多属于氧化还原反应，并生成水和二氧化碳作为副产物。
氧化还原反应中电子的传输导致化学能转化为电能。电极之间有电解质物质。燃料分别输送到每个电极。假设在燃料电池中，氢气被输送到阳极，空气被输送到阴极。在这种情况下，电池阳极侧的催化剂倾向于将氢分子分解成更小的粒子，例如质子和电子。
两种元素都试图通过不同的路径向阴极移动。电子沿着外部通道到达阴极，提供电流，而质子则穿过电解质膜到达阴极，在那里它们与氧分子和电子发生反应，生成水和热作为副产品。
另请阅读：印度排名前 30 的可再生能源公司
列出一些燃料电池应用
让我们来看看氢燃料电池的十种用途，其中一些您可能还不知道！
1. 仓库管理：一些大型仓储和配送机构正在转向使用氢燃料电池为清洁卡车、叉车、托盘搬运车和其他设备提供动力。
2. 国际配送：燃料电池拥有长途运输和本地配送所需的续航里程和动力。尼古拉、现代、丰田、肯沃斯和UPS等公司已经开始生产氢动力半挂卡车和厢式货车。
3. 公交车：氢动力正被研究用于各种公共交通工具，包括氢燃料电池公交车。包括芝加哥、温哥华、伦敦和北京在内的几个大城市已经对氢动力公交车进行了试验。
4. 火车：氢燃料电池火车现已抵达德国，预计未来五年内，英国、法国、意大利、日本、韩国和美国也将迎来更多类型的氢燃料电池火车。
5. 个人用车：九家主要汽车制造商正在研发用于个人用途的氢燃料电池电动汽车（HFCEV）。丰田 Mirai、本田 Clarity、现代 Nexo 和宝马 i Hydrogen Next 都是值得关注的车型。
6. 飞机：包括“探路者”（Pathfinder）和“太阳神”（Helios）原型机在内的多个实验项目，都对氢燃料电池在航空航天领域的应用进行了研究。这些远程无人飞行器采用混合动力系统，氢燃料电池由太阳能电池阵列供电，理论上可以实现昼夜不间断飞行。
7. 备用电源的产生：固定式燃料电池被应用于不间断电源（UPS）系统中，因为在这些系统中，持续运行至关重要。医院和数据中心正越来越多地采用氢能作为不间断电源。微软最近成功测试了其新型氢能备用发电机，使一个数据中心的服务器仅依靠氢能运行了两天，这一结果引起了广泛关注。
8. 移动电源的产生：氢能为移动电源的产生提供了多种选择。事实上，美国国家航空航天局（NASA）生产了一些最早的氢燃料电池，用于为太空中的火箭和航天飞机提供动力。
9. 无人机（UAV）：无人机（即无人飞行器）的许多创新应用，从包裹递送到搜救任务，都受到标准电池动力和续航里程的严重限制。军方和私营企业都计划利用氢燃料电池来解决这些问题，氢燃料电池的续航里程可达电池供电设备的3倍。燃料电池具有更高的能量质量比，并且可以在几分钟内完成充电。
10. 船舶和潜艇：氢燃料电池正被应用于各种船舶领域。一些船舶，例如“能源观察者号”，甚至利用船载太阳能电池板和风力涡轮机自行制氢，为燃料电池系统提供氢气。对于德国212型等军用隐形潜艇而言，氢燃料电池是核动力的替代方案，具有航程远、航行安静、废气热量低等优点。
燃料电池是当今汽车燃料的有前途的替代品。尽管该技术的某些部分（例如有效的车载存储）需要进一步开发，但没有理由说燃料电池不能成为像今天的柴油或汽油一样方便和有吸引力的运输燃料。我希望通过这篇文章，您可以轻松了解燃料电池的优点和缺点。请在评论部分分享您的疑问。
推荐阅读：潮汐能的优缺点
