氢燃料电池 （可直接将化学能转换成电能的装置）

简介

1842年，William Grove实现了将氢气和氧气混合产生电能，且以此研制出了第一块燃料电池，并将其称之为了气体电池。随后，在20世纪60年代，燃料电池在美国的太空计划中得到了第一次实际应用。而燃料电池的兴起和商业化则是发生在21世纪，此时日本丰田汽车公司推出的第一款燃料电池汽车Mirai，本田汽车公司推出了燃料电池销售车型Clarity，以及国际上试飞了多种型号燃料电池无人机。

氢燃料电池可按结构设计方式的不同分为管式和平板式，也可按工作温度，分为低、中和高温燃料电池；但不管是哪种类别的氢燃料电池，其一般都由电堆及电控辅助系统组成，且工作原理均是通过氧化还原反应，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。未来，氢燃料电池将以提高电池性能和寿命为目标，并朝着模块化和系列化方向发展。另外会加强相关配套设施的建设，如制氢、储氢、加氢等全产业链的建设，逐步形成网络化加氢站；并建立和完善相关标准以减小制氢污染、降低制氢能耗。

发展历史

发现

1839年，威尔士科学家威廉·葛洛夫（William Grove）首次证明了燃料电池，随后在1842年，William Grove通过将氢气和氧气混合来产生电能从而研制出了第一块燃料电池，并将其称为气体电池，且提出，提高电池性能的关键是强化气体、电极和电解液之间的相互作用。

1889年，L.mond 和 C.Langer 将浸有电解质的多孔材料作为电池隔膜，铂黑为催化剂，钻孔的铂或者金片作为电流收集器，组装出了燃料电池。该电池以氢与氧为燃料和氧化剂，在工作电流密度为3.5mA/cm时，电池可输出电压0.73V，其结构已经接近现代的燃料电池。

改善性能

1932年，英国工程师F.T.Bacon 提出5kW中温（200℃）“培根型”碱性燃料电池的构建，后又在1952年，对其进行优化，并提出双孔结构电极的概念，且将非金属催化剂和自由电解质应用到燃料电池中。

20世纪60年代初，美国通用电气公司研制出一种质子交换膜燃料电池，这种电池将离子交换膜作为电解质隔膜，并使用高担载量的铂黑作为催化剂。在1960年，该燃料电池被首次用作双子星（Gemini）飞船的主电源，燃料电池在美国的太空计划中得到了第一次实际应用，之后是“阿波罗计划”，但由于技术的不成熟，极大限制了燃料电池的使用寿命。

1960年，杜邦公司发明了含氟的磺酸型质子交换膜。通用电气公司采用这种膜组装出的质子交换膜燃料电池，运行寿命可超过57000h，这是一个巨大的进步。

20世纪70年代，随着世界能源危机的出现，在发现化石燃料可以经过重整或者气化转化为富氢燃料用于燃料电池发电之后，各国开始广泛研究以净化重整气为燃料的磷酸燃料电池和以净化天然气、煤气为燃料的熔融碳酸盐燃料电池，来提高燃料的利用率，应对能源危机。

1983年，加拿大斥资支持巴拉德（Ballard）动力公司开展燃料电池研究。巴拉德动力公司于1993年推出了第一辆燃料电池公共汽车，为后续燃料电池汽车的发展明确了研发和优化方向。之后燃料电池技术得到了较快发展，在新能源汽车与分布式发电领域均取得了丰硕成果。20世纪80年代以来，在各国科学家的努力下，电极结构立体化、大幅度降低催化剂铂的用量、膜电极组件的热压合，以及电池内水传递和平衡等一系列技术问题都被解决，氢燃料电池的性能显著提升，氢燃料电池的发展取得了长足的进步。2005年，德国的燃料电池辅助动力潜艇正式服役。

民用商业化

2014年，日本丰田汽车隆重推出新产品——民用商业化的燃料电池汽车“Mirai”，这是燃料电池商业化的一个重大开端。同年，本田汽车公司也推出了其燃料电池销售车型Clarity，韩国现代汽车公司也相继上市了燃料电池汽车 NEXO。

2016年，上海汽车集团开发出的荣威牌CSA7003FCEV燃料电池车获得了工信部的公证报告。到2021年，质子交换膜燃料电池电堆的质量比功率和体积比功率已分别达到或超过2kW/kg和3kW/L，比如丰田的“Mirai”燃料电池汽车，本田汽车的“Clarity”燃料电池汽车，以及现代汽车的“Nexo”燃料电池汽车，成为商用电动汽车的代表性产品。氢燃料电池正在逐步实现商用，这将提高燃料的利用效率，有效缓解全球温室效应。

到2023年，热电联供系统发展较为迅速，尤其是在日本，燃料电池热电联供系统已经实现了商业化应用，据统计该系统可为每个家庭节约近三成的燃气、电力费用，与传统的燃煤供暖相比能够有效减少对环境的污染，并且温室气体减排量可达到每年约39%。

工作原理

氢燃料电池是以氢气或富氢气体为燃料，通过电化学反应的方式，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能（直流电）的装置。

如下图（a），当向外电路中施加一定的电压，水可以被分解为氢气和氧气；而通过下图（b）所示的实验装置可在外接电路中的电流计中检测到一定的电流，该过程即是氢燃料电池电化学反应最基本的过程原理，也是电解水的逆过程，氢气和氧气再重新组合，并在外电路中产生了电流。虽然这一过程与氢气“燃烧”的产物相同，但与真正的氢气燃烧过程不同，燃料电池中的电化学反应是不经过热机过程而直接产生电能的，无“燃烧”“火焰”的特征。

氢燃料电池中的反应式为：

阳极反应式：

氢燃料电池的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐（储氢系统）中。当氢燃料电池工作时（输出电流并做功时），需要系统不间断地向电池内输入燃料（纯氢、各种富氢气体等）和氧化剂（纯氧、净化空气等气体）用以发电，同时排出反应产物。

基本结构

氢燃料电池的关键结构包括电堆和电控辅助系统。

电堆

电堆是燃料电池的核心组件，是由多片单体燃料电池串联或并联组成的具有一定功率的电池组，各个单体电池的电压之和等于整个电堆的输出电压。在电堆工作过程中，电池结构中伴随着燃料、氧化剂及冷却剂等流体的输入与输出，电堆结构需要完成流体的分配和机械密封的功能。此外，电堆作为动力输出源，通常具备着高电流和高电压，因而电堆需要满足电气绝缘这一基本功能。

氢燃料电池电堆主要由双极板、膜电极组件、密封垫片、排热板、集电极、 绝缘板、端盖板等零件组成，其中膜电极的结构又可分解为气体扩散层、催化层、质子交换膜。氢燃料电池的电化学反应发生在膜电极中。

电堆具有复杂且精细的机械结构，电堆由多组单电池单元叠片而成，再加上两侧的正负极集流板，以及最外侧的端板构成。其中每个单电池单元由膜电极组件、相邻的两个密封件及两个阴阳单极板构成，阴阳单极板组合可构成一片双极板；电堆叠片结构的稳定性是通过外部的紧固螺栓或者捆扎带所施加的组装力来保持的，组装力施加在端板上，端板作为电堆的结构件需要具有一定的强度和刚度，以保证组装力的稳定及组装力在电池平面上的均匀分配；各节单电池单元以串联的方式连接起来，集流板作为电功率输出端子将电堆功率输出至外部负载。

双极板

电池电堆由多个单电池叠装而成，电池之间的连接直接由极板完成， 除了电池堆两端的极板外，中间的极板一面是阳极，另一面是阴极，故称为双极板。双极板起电池间的隔离作用。双极板上有流道，是提供燃料（氢气）和氧化剂（氧气或空气）的通道。反应后剩余的反应气体和反应产生的水经过双极板流道排出电池。双极板两面都有流道。

膜电极

氢燃料电池是将质子交换膜、催化层、扩散层集成一体，称为膜电极组件，是燃料电池的核心部件。其中：

质子交换膜

质子膜主要用来隔离阴极、阳极反应的气体和电子，并传递氢离子。质子交换膜主要有全氟磺酸型 ，部分氟化磺酸型和新型非氟聚合物等类型。

为满足燃料电池的应用，质子交换膜要达到以下要求：

1. 质子传导能力高，电导率一般要达到0.1S/cm的数量级；

2. 化学稳定性和电化学稳定性高；

3. 对反应气体和其他特定燃料的渗透性低；

4. 机械强度和热稳定性尚可，适合于膜电极的制备和电池组的组装。

催化层

催化层中的催化剂的存在可以加速氢燃料电池内部的化学反应，使得氢离子的生成速度加快，其转移速度也会随之增加，从而保障电池的电量供应。电池的催化层是整个电池的核心。氢燃料电池的催化剂需要能够经受电解质的腐蚀，并拥有较高的催化活性。最早的燃料电池催化剂使用铂作为催化剂的主要成分。质子膜燃料电池领域已开发出的催化剂有铂黑催化剂、Pt/C催化剂、PtM催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂。

气体扩散层

气体扩散层位于膜电极的最外层，在氢燃料电池中起到支撑催化层、导气排水和传递电流等重要作用。一般气体扩散层的结构分为两层，分别是多孔炭纤维基底和微孔层。其中多孔炭纤维基底是气体扩散层中起支撑作用的部分。常见的多孔碳纤维基底一般是碳纸和碳布，由于碳纸在厚度、孔径和机械强度上具有明显优势，成为了氢燃料电池中气体扩散层的主要材料。

集电极、密封垫片、绝缘板

集电极板为铜板制作，安装在电池堆两端，是电池堆的电力输出端。为了防止工作气体与冷却液的泄露，在所有叠装的零件之间都要垫密封垫片，密封垫片由专用橡胶片切成。截止2023年，许多燃料电池生产已不使用密封垫片，采用燃料电池专用密封胶粘合叠装的零件，提高生产效率。绝缘垫片安装在集电极板与端盖之间，防止端盖带电。由绝缘性好，有一定弹性的合成材料制成。

电控辅助系统

电控辅助系统一般包括燃料子系统、空气子系统、热管理子系统和系统控制器等部分，燃料子系统、空气子系统和热管理子系统在系统控制器的控制下，分别将燃料、空气和冷却液导入到电堆相应腔体，为电堆提供稳定运行的条件，电堆的反应性能和运行稳定性很大程度上取决于电堆与辅助系统的匹配条件。

空气供给系统组成部件包括：空气压缩机、加湿冷却器、空气供应管路、回流管、背压阀等。氢燃料电池运行时，空气压缩机将环境空气加压输送到加湿冷却器中，在加湿冷却器中进行加湿降温，通过空气供应管路输送到电堆阴极气体流场中，未完全反应的多余气体则通过回流管和背压阀排入大气中。

热管理子系统根据散热方式不同可划分为多种类型，其中氢燃料电池系统最常用冷却方式是水冷型。水冷型热管理系统的部件组成主要包括：冷却水泵、节温器、散热器、加热器、冷却水箱、冷却液管路等。当氢燃料电池冷启动时，加热器会对冷却水进行迅速加热升温以满足电堆温度需要，加快化学反应速率；氢燃料电池负载功率过大产生较多热量时，冷却液流经电堆内部将多余的废热带出，使电堆温度降低。

主要分类

氢燃料电池的分类跟燃料电池的分类是如出一辙的，其可以根据结构设计方式的不同、工作温度的不同、使用电解质的不同以及支撑方式的不同等多个维度来进行分类。

按使用电解质的不同分

氢燃料电池按照使用电解质的不同分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）和固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。下表详细阐述了不同电解质燃料电池的导电离子、工作温度、燃料、氧化剂、催化剂、系统发电效率、性能特点以及常用领域。

按结构设计方式的不同分

氢燃料电池可按结构设计方式的不同分为管式和平板式。管状单电池的结构特点是将其一边的底部密封，而另一边则是由敞开的管道。由内向外分别是起到支撑作用的多孔结构管、阴极、电解质和阳极。管式结构的氢燃料电池具有不需要高温封接隔离阴阳极内的流体，持续稳定地运行、优良的热循环性能等优点。

但是管式结构也存在很多限制，如电流流经的路径长且相关构件的电导率低，因此它的输出功率密度明显低于平板式结构。另外，平板结构相对简单，关键构件的制备工艺不复杂且原材料廉价，易于大规模生产实现商业化。但是平板式氢燃料电池也受到密封难度大和机械性能弱的限制。

按工作温度不同分

氢燃料电池根据工作温度可以划分为低、中和高温燃料电池。其中低温燃料电池工作温度通常低于100℃，中温燃料电池工作温度通常在100～300℃，高温燃料电池工作温度通常在600～1000℃。

按支撑方式的不同分

在制备单电池的时候可以根据不同的应用场景以及对机械性能的需求，选择使用多孔介质或氢燃料电池的任意关键组件作为支撑结构。根据作为支撑结构的任意关键部件的不同可以分为阳极支撑、电解质支撑和阴极支撑氢燃料电池。下表展示了不同支撑方式的优缺点：

主要特点

优点

• 效率更高。氢燃料电池直接将化学能转化为电能，理论上其热电效率可以达到85%~90%，但由于电化学反应中存在的各种极化的限制，燃料电池实际工作时的能量转化效率在40%～60%的范围内。但若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上，远高于传统内燃机的工作效率。

• 环境友好。当使用纯氢作为氢燃料电池的燃料时，反应产物只有水，不会产生其他污染物，而且氢燃料电池发电不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。

• 能源安全。氢燃料电池采用氢气作为燃料。虽然在自然界中，氢气并不以游离态的形式存在，但是可以利用现有的能源（可再生能源、核能、生物能、煤，或者天然气）通过水电解过程，或者碳氢化合物重整而制得。这可以在很大程度上降低对石油能源的依赖。

• 结构简单、噪音低。氢燃料电池的结构简单、紧凑，系统无需过多的辅助部件。工作时安静，噪音低。

• 可靠性高。在氢燃料电池中，运动部件很少，具有高可靠性，可在特殊情况下使用，如作为应急电源或者不间断电源。

• 兼容性好、规模可调节。氢燃料电池具有常规电池的积木特性，既可用多台电池按串联、并联的方式向外供电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。可以通过改变单体电池的数量或者电池之间的连接方式（串联或者并联）来进行规模调节，以向外提供所需的电源规模。

缺点

• 氢的制备成本和运输成本过高。根据氢的制造方式不同，分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢从煤炭冶炼及工业生产过程中产生，制氢技术较简单，生产成本较低，约占氢气总产量的80%，但生产过程中会有大量二氧化碳（CO₂）等温室气体排放。蓝氢是将天然气经蒸汽重整制成，过程中温室气体被捕获，减轻了对环境的影响。而绿氢则由电解水制造，需耗费电能来生产，过程中完全没有碳排放，但制氢经济成本很高，当前只占总制氢量的不足2%。

• 控制技术复杂、成本高。对比传统燃油车、混合动力汽车、纯电动汽车，氢燃料电池的控制参数更多，控制技术也更复杂。车上的氢-电反应堆的价格是普通储能电池的数倍，整车价格也高出同等级电动汽车的数倍。

应用领域

氢燃料电池的原料通常只是氢气和氧气，利用氢气和氧气就可源源不断地产生电能，排放物只有水，不对环境造成任何污染，属第四代最稳定的发电技术，是真正意义上的清洁能源。同时氢的能量密度是汽油的3倍左右，氢-电反应堆的能量转换效率甚至高达60%~80%，而普通汽油内燃机的热能利用率只有25%左右，氢燃料是传统内燃机能量转换效率的2倍多。另有实验表明，氢燃料如果爆燃，发热量较少，火焰上升速度快，使得比汽油更安全，因此氢燃料电池已应用于多个领域中作为动力来源、清洁能源。

交通领域

氢燃料电池已应用于大客车、小汽车等客运交通工具。例如，自2003年起，中国科技部联合全球环境基金（GEF）和联合国开发计划署（UNDP） 在中国开始组织实施“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”。在2008年北京奥运会和2010年上海世博会上，分别投入了3辆和6辆氢燃料大客车进行会务服务和示范运行。2014年11月的美国洛杉矶车展上，丰田汽车公司推出氢燃料电池小汽车Mirai（日语“ 未来” 或“ みらい”）是世界上首款进行商业销售的氢燃料电池小汽车。氢燃料电池汽车兼具无噪声、无污染、动力高等特点，用氢燃料电池发动机代替常规驱动装置，并额外增加了储氢体系、加氢口和H₂安全报警装置。

物流领域

由于货车，特别是重型卡车，载重大、行程远，传统电池技术不能满足这类用于物流运输的车辆的需求。氢燃料电池技术凭借燃料质量轻、燃料加注快、续航里程长和零排放等特点，使得业界普遍认为氢燃料电池技术适用于物流运输车辆。例如，2016年8月底和12月初，美国尼古拉汽车公司（Nikola Motor）在盐湖城先后正式宣布和对外展示了Nikola One氢燃料电池重载卡车。该车在电气传动系统基础上，采用定制的800V氢燃料电池系统提供电力。

物流领域大量使用叉车。电动叉车因为效率高、噪音低以及工作中无排放等特点而得到大量应用，特别是在冷链仓储区内。

船舶领域

为了实现船舶的零碳和零污染，多种零碳船动力技术路线应运而生，其中氢燃料电池具有无排放、无污染及续航长等特点，用于船舶有着独特的优势。氢燃料电池在船舶领域的应用可追溯到2000年6月，可载客22人的Hydra（船）在德国开始示范运营。该船的创意由Christian Machens于1999年提出。Hydra也获得了劳埃船级社的正式认证，其氢燃料电池系统在气温低于冰点的情况下也能启动。

其他领域

氢燃料电池在飞机、无人机、摩托车和自行车等领域也有应用。

2003年，第一架完全由氢燃料电池驱动的螺旋桨飞机试飞。2008年2月，波音公司和欧洲的合作伙伴成功试飞了一架有人驾驶的氢燃料电池飞机。2016年12月，由德国航天中心(GermanAerospace Center,DLR)参与的HY4成功飞行，是世界上第一架载客氢燃料电池飞机。

2009年美国海军研究实验室的Ion Tiger使用氢燃料电池的无人机飞行了23小时17分钟。2011年，有报道称波音已完成一款名为Phanton Eye（幽灵之眼）的无人机的行试。

2005年，英国公司智能能源生产了使用氢气做动力的摩托车ENV，其自带的氢气可以行驶4小时，最高时速80 km / h，里程160公里。2004年，也有一些厂家将氢燃料电池应用于自行车和踏板车。

发展趋势

应用层面

随着氢燃料电池成本的不断下降，其应用领域和数量在不断拓展和上升，已初步形成良好的良性循环。氢能因生态友好、高效及应用场景广泛的优势，已被世界各国作为重要的发展战略之一。交通和物流领域是治理空气污染的重点领域，而氢燃料电池既有利于环境保护，又可以促进经济发展，氢燃料电池将逐步成为领域内主打技术。例如中国已经明确提出未来要实现“碳达峰”和“碳中和”两大目标，那么氢燃料作为未来能源的普及使用，以及氢燃料汽车的量产化将会对未来的工业生产、能源创新以及环境保护具有特殊的意义。

技术层面

氢燃料电池将以提高电池性能和寿命为目标，并朝着模块化和系列化技术方向发展。另外会加强相关配套设施的建设，如制氢、储氢、加氢等全产业链技术的建设，逐步形成网络化加氢站；并建立和完善相关标准以减小制氢污染、降低制氢能耗。

电堆测控系统开发

氢燃料电池的工作性能受多种因素的影响，如氢气流量、温度、负载等。为了保证电堆正常工作，提高电堆的转化率、可靠性、有效性，就必须监测这些影响因素，通过合理的手段对电堆的状态进行实时监测，并对收到的信息进行科学的分析，及时找到产生故障的原因，确保电堆健康运行，减缓电堆的损耗从而延长电堆的使用时限。到2023年，已经有很多公司都在进行氢燃料电池测控系统的研究，同时也是高校科研院所重点研究方向。氢燃料电池测控系统的开发对燃料电池技术的研究具有基础支撑作用，为电堆的设计和电堆性能分析提供了参考。所以，开发一套合理的测控系统，能让电堆高效率的产出并平稳运行具有现实的意义。

冷却技术

工作温度一直都是影响发动机性能和稳定性的重要指标，无论是传统的内燃机还是氢燃料电池发电系统均对工作温度具有较严格的要求。合理的热管理以确保适当的膜水化，从而确保膜的良好导电性；另一方面可以防止燃料电池电堆的升温。热管理系统常用的冷却方式主要有水冷、风冷、导热结构冷却和相变冷却等，大多数氢燃料电池发动机采用的是风冷式和水冷式。为了实现对燃料电池电堆有效冷却的目标，研究者做出了大量的努力，并尝试了不同的冷却技术。如建立氢燃料电池水冷系统的机理模型，通过改变冷却剂进口温度，增加进出口冷却液温度差，增加负载电流来研究冷却液对电堆散热效果的影响。对于大功率燃料电池的散热更适用冷却液冷却和相变冷却方式，但相变冷却存在迟滞性较大和不稳定性等缺点，到2023年也应用较少，越来越多的氢燃料电池发动机采用冷却液散热方式。

面临挑战

作为新兴产业，氢燃料电池在大规模普及与应用方面仍面临以下诸多的挑战：

1. 从产业规模和市场环境层面分析，氢燃料电池在航天和交通运输领域的应用尚处于试验阶段，未能形成大规模商业化应用；

2. 从技术设备层面分析，航空、大型运输车及巨型油轮发动机结构不适合燃氢，加之氢燃料燃烧时会产生过量的NO_x且易发生回火现象，难以实现氢的稳定燃烧；

3. 从经济性层面分析，随着相关技术的不断成熟，氢燃料电池的研发成本不断下降，但仍明显高于锂电池技术成本。加之氢燃料电池使用的主要材料为Pt等贵金属，也相应增大了氢燃料电池的研制和生产成本；

4. 从氢储安全层面分析，车用、船用储氢是限制其发展的主要难点，由于大型车辆与船舶续航长、氢气耗量大，因此必须要统筹储氢密度、安全性及储氢成本间的平衡，研究出自适应性的高性能储氢体系。

标准规范