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 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。电极是发生产生电能的反应的地方。
每个燃料电池都配有电解质，用于将带电粒子从一个电极传输到另一个电极，以及催化剂，用于加速电极处的反应。虽然氢是最基本的燃料，但燃料电池也需要氧气。燃料电池最吸引人的一个方面是它们产生的二氧化碳很少 污染 产生电力所需的大部分氢气和氧气最终混合形成无害的副产品，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
威廉·罗伯特·格罗夫爵士是一位威尔士法官、发明家和科学家，他于 1839 年发明了第一个燃料电池。他在电解质存在下将氢和氧结合，从而产生了电和水。这项后来被称为燃料电池的创新并没有产生足够的电力来使用。所以，让我们回顾一下燃料电池的一些 的优点和缺点.
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？
在了解了燃料电池的优点和缺点之后，我们再来了解一下各种类型的燃料电池。燃料电池之间的主要区别在于 所用电解质的类型.此分类定义了以下类型：
- 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，具有 功率密度高、重量轻、体积小 与传统燃料电池相比，PEM 燃料电池的电解质是 固体聚合物，电极是多孔碳，带有铂或铂合金催化剂。它们只需要氢气、空气中的氧气和水即可运行。它们通常由储罐或重整器提供的纯氢提供动力。
PEM 燃料电池 功能于 低温，通常在 80°C (176°F) 左右。低温操作使它们能够快速启动（减少预热时间），从而减少系统组件的磨损，提高耐用性。然而，它需要使用贵金属催化剂（通常是铂）来分离氢的电子和质子，这会增加系统成本。由于铂催化剂对一氧化碳中毒特别敏感，如果氢气是由碳氢化合物燃料产生的，则需要额外的反应器来去除燃料气体中的一氧化碳。这种反应器也很昂贵。
PEM 燃料电池主要 受雇于 运输和一些固定应用。PEM 燃料电池特别适合用于汽车、公共汽车和重型卡车等汽车应用。
2. 直接甲醇燃料电池
大多数燃料电池都由氢气驱动，氢气可以直接输送到系统中，也可以通过重整富含氢的燃料（如甲醇、乙醇和碳氢化合物燃料）在系统内产生。然而，直接甲醇燃料电池 (DMFC) 纯甲醇燃料通常与水结合并直接输送到燃料电池阳极。
由于甲醇具有 更高的能量密度 甲醇燃料电池比氢气更节能，但比汽油或柴油要低。直接甲醇燃料电池避免了困扰某些燃料电池系统的许多燃料储存问题。由于甲醇和汽油一样是液体，因此使用我们现有的基础设施也更容易运输和交付给公众。直接甲醇燃料电池经常用于为手机和笔记本电脑等便携式燃料电池应用供电。
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第一个广泛采用的燃料电池，用于在航天器上产生电能和水。这些燃料电池中的电解质是一种 氢氧化钾水溶液，阳极和阴极可以是多种非贵金属。
这种燃料电池类型的一个重大挑战是 容易出现 二氧化碳中毒 (CO2)。事实上，即使空气中含有微量的 CO2，也会因碳酸盐的产生而对电池性能和耐久性产生重大影响。带有液体电解质的碱性电池可以以再循环模式运行，这允许电解质再生以帮助减轻电解质中碳酸盐产生的影响，但也会引入和分流电流困难。
其他问题 液体电解质系统的主要缺点包括润湿性、腐蚀增加和难以控制压差。碱性膜燃料电池 (AMFC) 解决了这些困难，与液体电解质 AFC 相比，它们不易受 CO2 中毒影响。然而，CO2 仍然会对性能产生影响，AMFC 的性能和耐用性落后于 PEMFC。
AMFC 正在研究中 应用 从 W 到 kW。对二氧化碳的耐受性、膜电导率和耐久性、高温操作、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
聚合氯化铝 使用液态磷酸作为电解质 （酸被保存在聚四氟乙烯粘合的碳化硅基质中）和带有铂催化剂的多孔碳电极。右图描绘了电池中发生的电化学反应。
PAFC 是 被）认为是 “第一代”当代燃料电池。它是最发达的电池类型之一，也是第一个实现商业化的电池类型。虽然这种类型的燃料电池通常用于产生固定电力，但一些 PAFC 已用于为城市公交车等大型车辆提供动力。
PAFC 是 更耐 与 PEM 电池相比，PAFC 更容易受到重整化石燃料中杂质的影响，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%）。
此 效率 PAFC 的效率仅略高于燃烧式发电厂，后者的运行效率通常约为 33%。在重量和体积相同的情况下，PAFC 的效率同样低于其他燃料电池。因此，这些燃料电池通常体积大且笨重。PAC 的成本也很高。与其他形式的燃料电池相比，它们需要的铂催化剂负载量要大得多，这增加了成本。
5. 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 正在开发用于天然气和燃煤发电站，以及电力、工业和军事用途。MCFC 是高温燃料电池， 使用由熔融碳酸盐组成的电解质 漂浮在多孔、化学惰性的陶瓷锂铝氧化物基质中。非贵金属可用作阳极和阴极的催化剂，因为它们可在 650°C（约 1,200°F）的高温下工作。
与磷酸燃料电池相比，MCFC 可以显著节省成本的另一个原因是 提高效率. 熔融碳酸盐燃料电池与涡轮机结合后，效率可达到 65% 左右，远高于磷酸燃料电池 37%-42% 的效率。回收并利用废热后，总燃料效率可超过 85%。
燃料电池 不需要外部改革者 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质烃在燃料电池内部通过一种称为内部重整的过程转化为氢气，这也可以节省成本。
现有 MCFC 技术的根本缺点是 寿命短. 这些电池的高工作温度，加上所用的腐蚀性电解质，加速了组件的损坏和腐蚀，缩短了电池寿命。科学家目前正在研究用于组件的耐腐蚀材料，以及可在不影响性能的情况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， 电解质是一种致密、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，总体燃料使用效率可能超过 85%。
固体氧化物燃料电池 在极高的温度下运行，最高可达 1,000°C (1,830°F)。高温操作消除了对贵金属催化剂的需求，从而降低了成本。它还使 SOFC 能够内部重整燃料，从而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费用。
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，并且需要大量的热屏蔽来保温和保护员工，这对于公用事业来说没问题，但对于运输来说却不行。因为 高工作温度材料必须满足严格的耐久性标准。该技术的主要技术难点是开发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
可逆燃料电池与传统燃料电池一样，利用氢和氧产生电能，同时还会产生热量和水作为副产品。另一方面，可逆燃料电池系统 可以使用来自 太阳能、风能或其他能源通过电解过程将水分解为氧气和氢燃料。
可逆燃料电池可以 发电 当需要时，但在其他技术输出高功率时（例如，当大风导致可用风能过剩时），可逆燃料电池可以以氢的形式储存多余的能量。这种储能能力有可能改变间歇性可再生能源技术的游戏规则。之后，让我们了解一下燃料电池的工作原理。
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燃料电池的工作原理是什么？
了解了燃料电池的优势后，你还应该了解燃料电池的工作原理。燃料电池是 由...组成 两个电极，阳极和阴极，由电解质膜隔开。燃料电池可以利用氢气、甲烷、乙烷、乙醇和其他有机燃料来发电。这些 燃料燃烧不完全并释放热量 作为副产品。大多数此类反应本质上都是氧化还原反应，并产生水和二氧化碳作为副产品。
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。
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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.国际分销： 燃料电池具有长途运输和本地配送所需的续航里程和功率。尼古拉、现代、丰田、肯沃斯和 UPS 已开始生产氢动力半挂卡车和厢式货车。
3. 巴士： 氢能正在被研究用于各种公共交通方式，包括氢燃料电池公交车。芝加哥、温哥华、伦敦和北京等几座大城市已经试验了氢动力公交车。
4. 火车： 目前，氢燃料电池列车已抵达德国，预计未来五年内，更多类型的列车将抵达英国、法国、意大利、日本、韩国和美国。
5. 个人车辆： 九家主要汽车制造商正在研发供个人使用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 是其中值得关注的车型。
6. 飞机： 包括 Pathfinder 和 Helios 原型在内的多个实验项目都已研究了氢燃料电池在航空航天领域的应用。这些长距离无人驾驶飞行器采用由太阳能电池阵列供电的氢燃料电池混合动力系统，理论上可以实现无限制的昼夜连续飞行。
7.备用电源的产生： 固定式燃料电池用于不间断电源 (UPS) 系统，该系统的持续正常运行时间非常重要。医院和数据中心越来越多地使用氢气作为不间断电源。微软最近因成功测试其新型氢气备用发电机而成为新闻焦点，该发电机使一个数据中心的服务器仅靠氢气就能运行两天。
8.移动电源的发电： 氢气为移动发电提供了多种选择。事实上，NASA 生产了一些首批氢燃料电池，为太空中的火箭和航天飞机提供动力。
9. 无人机（UAV）： 无人机（即无人驾驶飞机）的许多创新应用，从包裹递送到搜索和救援任务，都受到标准电池提供的功率和续航能力的严重阻碍。军方和私营企业都打算使用氢燃料电池来解决这些问题，氢燃料电池的续航能力是电池供电设备的三倍。燃料电池提供更高的能量质量比，并且可以在几分钟内充电。
10.船舶和潜艇： 氢燃料电池正用于各种海洋应用。一些船只，例如 Energy Observer，甚至使用船上太阳能电池板和风力涡轮机为燃料电池系统制造自己的氢气。氢燃料电池为 核电 用于德国 212 型等军用隐形潜艇，具有航程远、巡航安静、废热少等特点。
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。
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