氢燃料电池工作原理和分类

氢的制取
目前，获得氢燃料的方法有很多种，比如分解水、 裂解石油和煤、分解植物等，但是最环保而且最 可持续的方法还是电解水，因为水作为氢能源的 原料是可以循环利用的。能源公司从大自然中获 取水分解成氢燃料，氢燃料燃烧后变成水回到大 自然。更妙的是，用水分解获得氢燃料不但不会 产生污染物，而且会生成氧气这种很好的工业原 料；而氢燃料燃烧后也不会生成污染物。
这是一款全新的 2+2 多用途 CUV 车型， 搭载氢燃料电池，最 大功率达 136 马力。 充满氢燃料后，续航 距离能达 600 公里， 它的最高车速为 165 公里/小时。上市时间 2012 年。
推出的氢燃料电池999型汽车 最高时速可达每小时207.3英里
农业机械品牌妞荷兰（NEW HOLLAND） 推出了以氢燃料电池为动力的拖拉机， 它的名字叫NH2，可以驱动一台106马力 的电动机，四轮驱动
以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理 如下：
(1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：
H2 2H 2e
(3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或 导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和 氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，
太阳能热化学循环制氢ຫໍສະໝຸດ Baidu
首先,由太阳能聚光集热器收集和汇聚太阳 光以产生高温。然后由这些高温推动产氢 的化学反应以制取氢气。
目前,国内外广泛研究的热化学制氢反应有 水的热分解(thermolysis)、H2S 的热分解 和热化学循环水分解。
病毒提取氢
提出者：美国女科学家安琪拉·贝尔彻
M13病毒进行基因改造后，再让它吸附一个催化 剂分子氧化铱和一个吸光物质锌卟啉，吸光物质 源源不断地将阳光沿着病毒传递。在这样一个过 程中，病毒充当了太阳能的传输通道，可以把太 阳能从吸光物质传输到催化剂。在催化剂和太阳 能的共同作用下，水就分解成了氢气和氧气。把 氢气进行液化和压缩，就变成了高效清洁的绿色 能源。
制氢方法对比
电解水制氢
主要问题：能耗高，效率低 各国科学家正在开发高效水电解法： 例如：日本开发的高温加压水电解法，效率
达到7 5 ％，美国通用电气公司开发的SPE 法，效率达90 ％。
生物制氢（发酵制氢和光合制氢）
优点：过程大都在室温和常压下进行，不 仅消耗小，环境友好，还可以充分利用各 种废弃物。
各种氢燃料电池车
一次性加满氢燃料后的最 大行驶里程约为240公里
帕萨特领驭燃料电池轿车
一次加满燃料的 续航里程达 235 公里，最高时速 为 145 公里/小 时。与传统燃料、 汽油等车型相比， 能量转换效率高 达 80%，是普 通内燃机的 3 倍。
这款车搭载最新 e-flex 氢燃料电池驱动系统， 通过氢燃料转化成电能 作为动力。该车一次续 航里程可达 483公里， 百公里加速仅为 8.5 秒。 上市时间 2011 年。
阴极反应为： 1/ 2O2 2H 2e H2O
H 总的化学反应为： 2 1/ 2O2 H2O
电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断 地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向 外电路的负载连续地输出电能。
氢燃料电池车的工作原理
将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂 (铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去 电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池 阴极板(正极)，而电子是不能通过质子交换膜的，这 个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板， 从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与 氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板 的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极 板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带 走，就可以不断地提供电能。
比起太阳能电池板分解氢气，用病毒制造氢气的 效率提高了4 倍。
2008年6月，日本Genepax公司在大阪发布了仅需 要1公升水即可以80公里的时速行驶一小时的车。声 称：只要不断加水，这辆车就可以作无距离限制的行 驶。
该车使用了膜电极组（Membrane Electrode Assembly，MEA）的技术——该技术可以将水通过 化学反应分解为氢气和氧气，进而以此推动汽车前进。 此技术成功地让MEA利用水生产出氢来。该公司表示， 这一化学过程类似于氢化金属和水反应产生氢，但他 们表示这种技术效率是目前为止最先进的，比现有的 技术效率更高，成本也更低，能让水产生更长时间的 氢。
缺点：光能利用率低、产氢量小等，离大 规模的工业化生产尚有距离。
太阳能制氢(光解水和氧化物还原)
用阳光分解水是—种最理想的方法，也可能是未 来制造氢气的基本方法。地球的水资源极其丰富， 太阳能也堪称取之不尽的能源
但是，水分子中氢和氧原子结合的化学键相当稳 定，想用光分解水就必须使用催化剂。日本科学 家研制成了分解水的新型催化剂，在阳光的可见 光波段就能把水分解为燃料电池所必需的氧和氢。 但这种方法也存在光电转化效率低的问题。
燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给 电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转 动，就可使车辆在路上行驶。
与传统汽车相比，燃料电池车能量转换效 率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。燃料 电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水， 它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳， 也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池 汽车是真正意义上的零排放、零污染的车。
目前使用的种类
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 磷酸燃料电池（PAFC） 固体高分子燃料电池（PEFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
工作原理
氢燃料电池本质是水电解的“逆”装置， 主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质。 其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常， 阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用 来加速电极上发生的电化学反应。两极之 间是电解质。
核能制氢
核电为电解水制氢提供电力；反应堆中的 核裂变过程所产生的高温直接用于热化学 制氢。
与电解水制氢相比，热化学过程制氢的效 率较高，成本较低。
国内制氢工艺技术
国内制氢工艺主要有电解水制氢和以煤、 石油脑、炼厂气、焦炉气、天然气为原料 在高温下进行蒸汽转化的制氢工艺。一些 合成氨装置、甲醇装置将含氢尾气等气体 利用变压吸附技术回收少量的氢气。