新能源燃料
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机电技术应用
Application of Mechanics-electronics  Technology
2020年9月下氢燃料电池的应用及发展前景
张一丁
（山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101）
摘　要：近年来，人们的生产生活水平不断提升，越来越多国家认识到了环境污染问题的重要性，世界各国开始保护环境、节能减排等。氢燃料电池是节能减排的一项重大创新。文章概述了氢燃料电池的概念，介绍了氢燃料电池的原理、应用，并通过对氢燃料电池的分析，预测了氢燃料电池的前景。未来，氢燃料电池会被大量投入人们的生活生产方式中，也将在新能源的发展中发挥重要作用。充分利用氢燃料电池，对我国的国防科技、经济生活等发展有重要的促进作用。关键词：氢燃料电池；新能源；环境污染中图分类号：TM911  文献标志码：A    文章编号：1672-3872（2020）18-0193-02
Overview of Hydrogen Fuel Cell Application and Development Prospect
Abstract ：In recent years, people’s way of life and production is constantly improving, more and more countries have realized the problem of environmental pollution, so countries around the world began to pursue environmental protection, energy conservation and emission reduction methods. Hydrogen fuel cell is an important innovation in energy conservation and emission reduction. This paper summarizes the concept of hydrogen fuel cell, introduces the principle, application and development prospect of hydrogen fuel cell. Through the analysis of hydrogen fuel cell, the future of hydrogen fuel cell is forcasted. In the future, hydrogen fuel cell Keywords ：hydrogen fuel cell; new energy; environmentall pollution
Zhang Yiding
(School of Thermal Energy Engineering Shandong Jianzhu University, Shandong Jinan 250101)
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作者简介： 张一丁（1999—），男，辽宁朝阳人，本科，研究方向：
能源与动力工程（热电）。
氢燃料电池是将氢气及氧气的化学能转变成电能的装置。氢燃料电池发电是一种等温的电化学方式、不经过热机的过程，不受卡诺循环的限制。
1.2  氢燃料电池的原理
燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由阴极、阳极、电解质溶液、外部电路四部分组成，燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。阳极燃料气释放电子，形成阴离子，电子在外电路的作用下传导到阴极与氧气发生氧化反应生成阳离子，离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流[1]。
氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，电极如下：负极：H 2+2OH -→2H 2O+2e -；正极：1/2O 2+H 2O+2e -→2OH -；电池反应：H 2+1/2O 2→H 2O。
燃料电池系统不仅包括燃料电池本体，还应该拥有反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等辅助系统，这样，燃料电池方可正常工作。通常的燃料电池由电解质板、两侧的燃料极（阳极）和空气极（阴极）及两侧气体流路构成，气体流入的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。
1.3  氢燃料电池的来源
在前面叙述的氢燃料电池概念及原理之后，发现氢燃料电池是一种极好的生产发电方式，但氢燃料电池的来源是一个很大的难题。氢的来源具有多种方式：
1）可通过电解水制取氢气。这是一种很常见的办法，但电解水需要很高的能源消耗，且制取的氢的含量极小，不适合大规模制氢[2]。
2）可通过化石燃料（如煤或者天然气）来制取氢气。在化石燃料制取氢气的情况下，保护环境成了很大的难题。在使用化石燃料制取氢的情况时，会有大量的氢气流失，利用率很低。而且氢气在运输过程中，也会有氢气的流失，这使得能量不能充分利用，也会使化石燃料的消耗增加。
3）可通过其他产品的副产物制取氢气。据统计，中国有很大部分的氢是来自副产物中的，这些氢大多数都直接排放到大气中，合理利用氢是当今研究学者的重点。
尽管氢燃料电池的来源十分广阔，但是在燃料罐中储存氢气也具有巨大的经济和安全挑战。
2  氢燃料电池的特点
2.1  无噪音
在氢燃料电池的运行过程中，通常不会有噪音的出现，音量分贝与人们正常交流的音量相差无几。由于
氢燃料电池具有无噪音的特点，因此氢燃料电池系统既可以安装在室内，也可以安装在室外，不会对其周围产生很大的影响[3]。
2.2  无污染
在前面叙述的概念及原理过程中，可知理想情况下氢燃料电池的产物只有水，水对环境是无污染的。氢燃料电池是通过电化学反应，而不是通过燃烧释放很多对环境有
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Application of Mechanics-electronics  Technology2020年9月下
害的气体，如果氢是通过可再生能源（如风能、太阳能等）产生的，那么在氢燃料电池的生产过程中，将不会有有害气体的产生，即氢燃料电池的循环过程对环境无污染。2.3  高效率
燃料电池的效率很高，在发电过程中能达到50%的发电效率，在发电设施中具有很高的水平，燃料电池是直接由物质的化学能转换成电能，生产过程中不经过热能-机械能的转换[4]。
3  氢燃料电池的应用
3.1  氢燃料电池汽车
氢燃料电池车的工作原理：将产生的氢气运送到阳极（电池的负极）使之失去一个电子，通过催化剂（pt）的作用形成氢离子，而氢离子通过质子交换膜到阴极（电池的正极），因为失去的电子不能透过质子交换膜，所以只能通过外部电路到达阴极，与氧气氢离子结合生成水。因为空气中存在氧气，所以无需使用其他途径制氧，只需供给氢气即可，在生产过程中需要把水（水蒸气）带走，就可以源源不断地产生电能[5-6]。
近年来，氢燃料电池汽车在一些领域上已经取得了突破性进展，并且发展前景愈来愈好。在全球环境保护问题日益突出的今天，氢燃料电池汽车作为环保型汽车越来越受到人们的重视。在一些发达国家，如英国、德国等出台了很多对氢燃料电池有利的政策，鼓励其国人购买新能源汽车。全球许多汽车制造厂商普遍预测，燃料电池汽车是最有可能代替传统内燃机汽车的清洁交通工具，燃料电池的发展趋势已经超越了蓄电池汽车。据相关报道，氢燃料电池汽车在全世界的发售量在不断上升，且上升的比率会逐年增加，在未来，随着氢燃料电池汽车技术不断地完善，氢燃料电池汽车会起着主导的作用。我国的氢燃料电池汽车也取得很大的发展，我国自主研发的氢燃料电池汽车在2008年北京奥运会期间就开始使用了。
3.2  航空航天领域
我国第一个应用氢燃料电池的是航空航天领域。20世纪60年代，氢燃料电池就已经被成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。波音公司于2008年将氢燃料电池试用于小型波音飞机上，波音公司称这在世界航空史上属于首次，预示着未来航空领域会越来越环保。但氢燃料电池也具有技术局限性，不能为大型客机提供足够的动力支持。我国正在不断地将氢燃料电池应用于无人机方面。在2020年，我国的氢能无人机飞行时间刷新新续航世界纪录。北京新研创能科技有限公司开发了一款六转子氢燃料电池无人机，连续飞行时间长达331分钟，成功打破了世界纪录。据了解，此款六旋翼无人机核心为氢燃料电池，搭载一个高压储氧瓶为氢燃料电池提供发电所需的氧气。通过这一研究表明，我国在氢燃料电池一些方面也处于世界先列。3.3  大型发电站
我国大多数发电站依然是火力发电站，尽管政府采取了保护环境、节能减排等措施，也应用了风能发电、水力发电、太阳能制热、核能发电，但由于种种因素的限制，火力发电站依然是我国的主导。火力发电是依靠一次能源煤的燃烧经过锅炉汽轮器等器械将机械能转化成热能进行发电，这种发电方式具有污染性强、能源利用率低、能源消耗大等缺点。因此，将氢燃料电池应用于发电站是一个很好的选择。此外，火力发电方式是一种相对较集中的发电方式，需要电网电线运输，在运输途中会发生电能的损耗。而氢燃料电池发电具有分散化、多单元的特性，应用后可以减小损耗，节约能源。
4  氢燃料电池的发展前景
未来，氢燃料电池会在很多领域起着主导作用。随着国内及国外发达国家的燃料电池技术的不断提升，氢燃料电池的作用会越来越突出。据美国相关部门统计，氢燃料电池的相关成本会随着技术科技的不断进步而降低，氢燃料电池在加氢站方面也具有很大的前景；据统计，加氢站不需要大量资金的投入，氢气的成本预估到2050年会下降到2.5美元
做到节能减排，而且极大地促进了经济的发展。
5  结束语
国的发展起着重要作用，也为世界的发展作出了极大的贡献。在我国大力倡导环境保护、节能减排的情形下，新能源的发展越来越受到我国的重视，氢燃料电池将会逐渐地大量投入人们的生活生产，要对氢燃料电池的未来充满极大的信心。
参考文献：
[1]高鹏然.氢燃料电池应用进展研究[J].石化技术,2020(6):
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[2]何奇.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势管窥[J].南方农
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[3]代春燕，雷亦婷.氢燃料电池汽车技术、经济、环境研究现
状及展望[J].中国能源,2020(6):25-31.
[4]刘凡，朱宏康.燃料电池技术新进展[J].中国材料进展,2020
(6):449.
[5]陈济颖，郑家强，祝晓强.燃料电池发电技术的进展现状与
应用研究[J].新型工业化,2019(9):106-110.
[6]陈曈，周宇昊，张海珍，等.氢燃料电池发展现状和趋势[J].
节能,2019,38(6):158-160.
（收稿日期：2020-9-4）