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氫能源燃料電池的基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。
氫能源燃料電池對(duì)環(huán)境無污染，它是通過電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒（汽、柴油）或儲(chǔ)能（蓄電池）方式，最典型的傳統(tǒng)后備電源方案，燃燒會(huì)釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生，整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。
氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，這是氫燃料電池的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面，還要對(duì)電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對(duì)噪聲有限制的地方。
事實(shí)上，氫燃料電池的歷史非常早。第一塊燃料電池是1845年由英國科學(xué)家威廉 · 格羅夫制造的，制造時(shí)間是道光二十五年。他證明了在一定條件下，氫和氧的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生電流，就像產(chǎn)生水一樣。
當(dāng)然，他是站在巨人的肩膀上的。此前70年，卡文迪許就研討了氫氣加氧氣釀成水的進(jìn)程；此前50年，尼克爾森（William Nicolson）就研討了方才水人進(jìn)程的逆反應(yīng)，也便是電解水生成氫氣和氧氣。威廉·格羅夫的成就是發(fā)現(xiàn)氫和氧不需要火焰就可以制造水，而且在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生電流。
給燃料動(dòng)力電池的負(fù)極材料提供一個(gè)氫氣，正極進(jìn)行提供大量氧氣，然后在正負(fù)極相互之間加一層膜。在催化劑的作用下，氫原子外層的電子會(huì)游離出來，變成獨(dú)立電子+氫離子。而那層膜是非常特殊的，只有兩個(gè)氫離子結(jié)合才可以同時(shí)通過，而電子則會(huì)被阻擋在膜外。由于存在氫離子實(shí)際上我們就是一種質(zhì)子，所以那層膜也叫“質(zhì)子交換膜”。
由于電子是通不過這層膜的，所以他們會(huì)在膜的一邊越聚越多。如果在電子聚集的地方接一根導(dǎo)線，通到正極，電子就會(huì)在工作電壓的驅(qū)使下嗖嗖嗖地跑過去。而這，就是提高電池在輸出控制電流。
透過膜的質(zhì)子與正氧反應(yīng)生成水并放出熱量。這些都是氫燃料電池的副產(chǎn)品。由于一層膜左右兩側(cè)的壓差比較小，通常我們只有0.5V-1.0V，所以只要把正負(fù)極夾著一層膜的結(jié)構(gòu)可以疊加至幾百層，就能不斷得到發(fā)展需要的高電壓。在這個(gè)電池里，是沒有其他任何火焰會(huì)呈現(xiàn)的。不過，為了能夠保證研究催化劑的活性，在電動(dòng)車企業(yè)使用的燃料動(dòng)力電池技術(shù)類型中，電池的工作環(huán)境溫度在90攝氏度左右。其實(shí)，這比很多傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度要低很多。
這個(gè)發(fā)展過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為一種電能的效率最高可以達(dá)到80％，遠(yuǎn)比內(nèi)燃機(jī)的40％高得多。當(dāng)然，還有其他類型的氫燃料電池，不僅僅是質(zhì)子交換膜，它們有不同的反應(yīng)物和電解質(zhì)。
比如航天用燃料電池的電解液就是氫氧化鉀。以熔融硅酸鹽、氧化鋯和磷酸為電解質(zhì)的氫燃料電池都用于發(fā)電站。這種用于氫燃料電動(dòng)汽車的電池是一種相對(duì)較晚出現(xiàn)的新型氫燃料電池。
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：氫能源燃料電池的基本原理
