氢燃料电池

1  氢燃料电池的应用

如今氢燃料电池(Hydrogen fuel cells)技术被用于多种应用,包括为医院等关键设施提供紧急备用电源;为数据中心等关键负载设施替换电网电力;为各种运输方式提供动力,例如汽车,公共汽车,火车和叉车。未来,它可能为低碳城市和地区、便携式计算设备、零排放飞机等提供各种动力。

尽管氢燃料电池的效率不及电池,但与内燃机技术相比,今天的氢燃料电池具有可观的优势。内燃机将燃料转化为动能的效率约为25%。 相比之下,燃料电池可以将氢气与空气混合,产生高达60%的效率发电。

2  氢燃料电池的工作原理

类似于电池,燃料电池是一种通过电化学反应将分子中存储的能量转换为电能的设备。 典型的氢燃料电池由两个被电解质膜隔开的电极(阳极和阴极)组成,其工作原理如下:

  • 氢通过阳极进入燃料电池。 在此,氢原子与催化剂反应并分裂成电子和质子。 来自周围空气的氧气通过阴极进入另一侧。
  • 带正电的质子穿过多孔电解质膜到达阴极。 带负电的电子流出电池并产生电流,该电流可用于例如为电动或混合电动推进系统提供动力。
  • 然后在阴极中,质子和氧气结合生成水。

3  氢燃料电池的优点

由于燃料电池通过电化学反应产生电能,因此它们是清洁的能源。 实际上,使用纯氢的燃料电池不含碳。 燃料电池的其他一些主要优点包括:

  • 与需要充电的电池不同,只要提供燃料源(氢),燃料电池就可以继续发电。
  • 单个燃料电池可以“堆叠”以形成能够产生更多功率的更大系统,从而实现可扩展性。 单个燃料电池可以产生足够的电压来为小型应用供电,而燃料电池堆可以组合起来以创建大型的多兆瓦装置。
  • 因为没有活动部件,所以燃料电池无声且高度可靠。

4  如何制成氢

氢燃料本身可以通过电解将水分解成氢和氧原子。但是,目前全世界每年生产的6000亿立方米氢气中,只有2%是通过水电解生产的。95%是由天然气通过热处理生产的,同时生成了副产品二氧化碳。这种方法生成的氢,有90%以上被用作肥料,或在石油,炼油和更广泛的石化工业中消耗。因此,氢经济的发展在最初阶段主要依赖政府投资。除了生产碳中性能源所需的可再生能源项目外,还需要对氢气生产和分配的基础设施进行投资。目前,这种基础设施的稀缺是采用氢技术的最大障碍。

在全球范围内,氢气的成本已经在下降,这部分与可再生能源成本的下降是一致的,但也归因于水电解和氢燃料电池技术的改进。总部位于巴黎的国际能源署(International Energy Agency)预计,到2030年,制氢的成本将进一步下降30%,但中东最近的光伏太阳能项目成本的快速下降可能意味着商业化制氢的本地成本会跌得更快。随着对氢基础设施投资的增加和净成本的持续下降,氢经济可能被证明是从碳氢化合物过渡的必不可少的工具。

《氢燃料电池》上的一个想法

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