燃料電池用什么燃料？未來汽車動力的第二選擇為什么會是它？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-07 22:30
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燃料電池車是電動車嗎？
燃料電池車是以燃料電池為能量源驅(qū)動的車輛。注意，是能量源而非動力源，燃料電池車通過燃料電池產(chǎn)生電能，提供給電動機(jī)驅(qū)動車輛。所以動力源仍然是電動機(jī)，所以，嚴(yán)格來說，燃料電池車是電動車。
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燃料電池是電池嗎？
在有些文獻(xiàn)中，燃料電池也會被稱為燃料電池發(fā)動機(jī)，因?yàn)樗倪\(yùn)作原理和狹義的電池并不相同。它并不是儲能元件，它不能像鋰電池那樣儲存電能，準(zhǔn)確來說，燃料電池算是一種發(fā)電機(jī)，和發(fā)動機(jī)類似，需要外界輸入的燃料（氫氣），讓氫氣在電池堆內(nèi)與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。
但現(xiàn)在電池也可以廣義的指代產(chǎn)生電能的裝置，如太陽能電池，所以從這個(gè)角度，燃料電池（Fuel Cell）也可以算是電池。
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燃料電池是如何發(fā)電的
在初中的時(shí)候大家都學(xué)過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)過程反過來，往燃料電池中輸入氫氣和氧氣，陽極，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)子透過燃料電池的核心元件：質(zhì)子交換膜，來到陰極，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，還少了電子，陰極氫氣失去的電子通過外電路來到陽極，參與反應(yīng)。而電子經(jīng)過外電路的這個(gè)過程是不是也有即視感？這不就是電流嗎？
于是，經(jīng)過
這樣很簡單的反應(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)過程中產(chǎn)生得失電子的過程即可，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，而相對于混合動力車型，燃料電池則有著無污染的優(yōu)勢。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)輸儲存對安全的要求更高。
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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國家航空航天局設(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，電動汽車，移動電源等方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢。
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，但隔斷陰陽極反應(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燃燒，電子就不會通過外電路了）。
Nafion的化學(xué)結(jié)構(gòu)
全氟磺酸型質(zhì)子交換膜是由碳氟主鏈構(gòu)成疏水的骨架，側(cè)鏈的磺酸根則具有親水性，這個(gè)疏水∕親水的微相分離結(jié)構(gòu)既具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性又可以為質(zhì)子傳導(dǎo)提供通道。另一方面，由于氟原子具有的強(qiáng)吸電性使側(cè)鏈的磺酸根酸性增強(qiáng)，因此，全氟磺酸型質(zhì)子交換膜具有高的電導(dǎo)率。
在中心的質(zhì)子交換膜兩邊則是催化劑層，一般使用鉑金和碳組合制成，正因?yàn)樾枰褂勉K金，燃料電池價(jià)格始終高昂。雖然致力于其他替代材料，但他們的催化效果并不如Pt/C更好。
再往外就是氣體擴(kuò)散層和雙極板。氣體擴(kuò)散層的作用是讓參與反應(yīng)的氣體（氫氣、氧氣）更好的與催化劑接觸，從而獲得更好的反應(yīng)速度與效率，減少損失。和內(nèi)燃機(jī)通過高壓噴射燃油提高燃油的霧化效果類似。
雙極板就是我們通常說的正負(fù)極了，但是注意，雙極板的“雙”代表著在這一塊板上有兩個(gè)電極，一面充當(dāng)正極，另一面充當(dāng)負(fù)極，注意，這并不是同一節(jié)電池的正負(fù)極，而是分別作為兩個(gè)電池的正極和負(fù)極。燃料電池一般不以單體形式存在，都是將一個(gè)個(gè)單體首尾相連，串聯(lián)成一個(gè)電堆，于是前一節(jié)燃料電池單體的負(fù)極的背面就是后一節(jié)電池的陽極，形成了雙極板。
雙極板除了作為電極之外，它上面還會布置流道，作用是讓引導(dǎo)反應(yīng)氣體在燃料電池內(nèi)的流動增加反應(yīng)面積，并使其分布均勻，獲得均一的電流密度，還要將反應(yīng)產(chǎn)生的水排除。流道的設(shè)計(jì)有直道式、蛇形、變截面、交趾型等，上圖中那些溝溝壑壑就是流道。
