燃料電池是如何發(fā)電的

在初中的時(shí)候大家都學(xué)過(guò)電解水制氫氣和氧氣的試驗(yàn)吧，燃料電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)就是把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)，往燃料電池中輸入氫氣和氧氣，陽(yáng)極，氫氣在催化劑的作用下失去電子，成為氫離子（也就是質(zhì)子），質(zhì)子透過(guò)燃料電池的核心元件：質(zhì)子交換膜，來(lái)到陰極，與氧氣反應(yīng)，生成水。

 

等等，要反應(yīng)的話是不是還缺了什么？對(duì)，還少了電子，陰極氫氣失去的電子通過(guò)外電路來(lái)到陽(yáng)極，參與反應(yīng)。而電子經(jīng)過(guò)外電路的這個(gè)過(guò)程是不是也有即視感？這不就是電流嗎？

這樣很簡(jiǎn)單的反應(yīng)，就讓電子從氫原子中脫離了，到外電路走了一圈，產(chǎn)生了電流。

 

注意，燃料電池也分為很多種類，有的燃料電池可以使用甲醇作為燃料，其實(shí)燃料電池的能量轉(zhuǎn)化核心在于電化學(xué)反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)：[O]+[R]→[P]+Energy，[O]、[R]、[P]分別代表氧化劑、還原劑、反應(yīng)生成物），只要能夠在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生得失電子的過(guò)程即可，并不規(guī)定氧化劑、還原劑究竟需要什么。當(dāng)然現(xiàn)在大部分燃料電池都是采用氫氣作為燃料。上圖展示的為PEMFC，質(zhì)子交換膜燃料電池，也是當(dāng)前最主流的車用燃料電池。

 

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為什么燃料電池車

能夠解決純電動(dòng)車的里程焦慮

了解了燃料電池是如何發(fā)電，那么這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。燃料電池并不需要充電，為其補(bǔ)充氫氣和加油在時(shí)間上并沒(méi)有什么區(qū)別，3、5分鐘就能搞定。比起充電自然是快了許多，而相對(duì)于混合動(dòng)力車型，燃料電池則有著無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)前制約燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素除了燃料電池本身性能、成本上的不足之外，加氫站的建設(shè)也拖了后腿。

 

加氫站的建設(shè)并非一家車企能夠解決的，就算豐田開放氫燃料電池專利，鼓搗著建立燃料電池汽車聯(lián)盟也不行，這種要求分布廣泛，數(shù)量眾多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須依靠政府的力量，比起電能，氫氣的運(yùn)輸儲(chǔ)存對(duì)安全的要求更高。

 

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燃料電池的分類

燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。按工作溫度不同，燃料電池可分為低溫燃料電池（小于100℃）、中溫燃料電池（100-600℃）及高溫燃料電池（大于600℃）三類。而根據(jù)用途來(lái)分類，則可以分為：固定式燃料電池，主要用于發(fā)電站（分為大功率集中式發(fā)電站與小型家用的分布式電站）；移動(dòng)型燃料電池，用于車輛、潛艇等交通工具；便攜式燃料電池，用于手機(jī)、筆記本電腦等便攜設(shè)備。

 

當(dāng)然，最為普遍的分類是按照其電解質(zhì)類型來(lái)分類，可以分為5種：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池伽（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。他們的特點(diǎn)如下：

 

 

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質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池，又稱為固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料電池（Solid  Polymer  Electrolyte Fuel Cell，SPEFC）或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（Polymer Electrolyte Membranes Fuel Cell，PEMFC），是一種新型清潔能源發(fā)電裝置，其研制始于上世紀(jì) 60 年代，最初由通用電氣公司專門為美國(guó)國(guó)家航空航天局設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用于后者雙子星座飛船計(jì)劃中。隨著 PEMFC 制造及相關(guān)控制技術(shù)不斷發(fā)展，如今其不僅在航天、軍事等特殊領(lǐng)域有突出應(yīng)用，更在分散電站，電動(dòng)汽車，移動(dòng)電源等方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

 

質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件就是所謂的質(zhì)子交換膜，學(xué)名叫全氟磺酸質(zhì)子交換膜，目前主要商業(yè)引用的是美國(guó)杜邦公司開發(fā)的Nafion系列膜，其他公司的產(chǎn)品則有日本朝日化學(xué)的Aciplex膜、美國(guó)Dow公司的Dow膜等。

 

它起到傳輸離子的電解質(zhì)的作用，只不過(guò)和我們通常概念中的電解液不同，它是固態(tài)的。因而，在質(zhì)子交換膜燃料電池中，它允許質(zhì)子通過(guò)，但隔斷陰陽(yáng)極反應(yīng)物，防止氫氣和氧氣直接接觸發(fā)生反應(yīng)（如果氫氣氧氣直接接觸就會(huì)燃燒，電子就不會(huì)通過(guò)外電路了）。