能量密度比鋰電池更高的清潔電池——氫燃料電池

1、氫氧燃料電池工作原理氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應後，放出電子通過外部的負載到達陰極。

燃料電池是一種化學電池，它利用物質發生化學反應時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如錳乾電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時需要連續地向其供給反應物質——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。由於它是把燃料通過化學反應釋出的能量變為電能輸出，所以被稱為燃料電池。　　

具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的「發電機」。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。最初，電解質板是利用電解質滲入多孔的板而形成，現在正發展為直接使用固體的電解質。

　　工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。

　　利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種「發電機」。

　　一般來講，書寫燃料電池的化學反應方程式，需要高度注意電解質的酸鹼性。在正、負極上發生的電極反應不是孤立的，它往往與電解質溶液緊密聯繫。

　　氫氧燃料電池 hydrogen oxygen fuel cell

　　以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應，將化學能轉變為電能的電池。

　　氫氧燃料電池工作時，向氫電極供應氫氣，同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過電解質生成水。這時在氫電極上有多餘的電子而帶負電，在氧電極上由於缺少電子而帶正電。接通電路後，這一類似於燃燒的反應過程就能連續進行。

　　電極反應式

　　氫氧燃料電池（中性介質）：

　　正極：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

　　負極：2H2 - 4e- → 4H+

　　總反應式：2H2 + O2 == 2H2O

　　氫氧燃料電池（酸性介質）：

　　正極：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

　　負極：2H2 - 4e-→ 4H+

　　總反應式：2H2 + O2 == 2H2O

　　氫氧燃料電池（鹼性介質）：

　　正極：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

　　負極：2H2 - 4e- + 4OH- → 4H2O

　　總反應式：2H2 + O2 == 2H2O

2、氫燃料電池的優勢和劣勢

在過去的十年，由於鋰電池技術和產業的突飛猛進，氫燃料電池被過度輕視。而最近一兩年鋰電池行業遇到了一些瓶頸，氫燃料電池又重新引了主機廠的關注。

第一，鋰電池技術突破能量密度難。雖然目前大多數電動車的續航都能達到600KM左右，但電池能量密度還是處於170KWH/KG的行業水平，長續航只是增加了了更多的電池，這會導致車輛交通浪費在運送電池本身上，既不經濟也不合理。

而且鋰電池在過去十年能量密度已經提高了2.5倍，已經達到物理化學極限，再提高就是安全極限的突破。因此，想要再提高能量密度是很困難的。如果一輛純電動車想要NEDC突破800KM，勢必需要依賴下一代電池技術的突破。

第二，鋰電池充電慢。充電技術突破需要整個國家供電體系的優化。目前純電動汽車充電時間遠大於燃油車加油時間。

在這樣一個背景之下，氫燃料電池依託於獨有的優勢，再次出現在大眾的視野。而且在很多個方面，氫燃料電池都能避免純電動汽車的短板。具有長期投資的優勢。

第一、氫氣的能量密度可以比電池更大。氫氣釋放電能其實就是一個氧化還原反應。如果儲氫系統的壓力足夠大，小體積的液態氫可以達到很高的續航。

第二、加氫快。加注一罐氫氣只需要三到五分鐘，比充電更快，而且不用到處找充電樁。

除此之外，氫氣也是最潔淨的能源，氫燃料電池的反應產物只有水。

但是，氫燃料電池也存在很多困難。

第一、儲氫技術。同樣的質量，氫氣的能量密度不低，但汽油，柴油在自然環境下就是液態，氫氣需要壓縮才能變成液態，還要保證安全。

目前70兆帕的儲氣系統每一升氫氣的能量密度只有800WH，如果儲氫系統想要達到80KW的能量，就需要100L的儲氣系統，體積相當龐大了。

第二、燃料電池技術。主要是電堆的膜電極和空氣壓縮技術，雖然都有所突破，但壽命還是太短了，國內只能做到幾千小時的耐用，但豐田已經可以達到上萬小時。

第三、供應鏈不成熟。氫燃料電池的大多數技術還不夠成熟，目前推動氫燃料電池需要大量的進口元器件，價格高昂，很難控制整車成本，更無法普及。

第四、基礎建設投資大。目前加氫站太少，而且加氫氣站建設費用巨高（一個上500萬左右）。純電動汽車面臨著充電不便的問題，氫燃料車也再所難免。氫燃料汽車需要加氫站，而且還不能像電動車在家裡慢慢充，在某些條件下，還不如純電動汽車方便。

總體上看，氫燃料電池汽車在理論上全面優於石油和鋰電池，被譽為車用能源的「終極形式」。實際上，氫燃料電池的產業進化一直很慢。所以普遍認為氫燃料電池車應該先應用在商用車上，因為商用車的路線比較規律，對加氫站數量的需求就比較小。

3、氫燃料電池，電堆的內部構成

氫燃料電池由「電堆」和「儲氫瓶」兩部分組成

雙極板

雙極板是電堆的核心結構零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，佔整個燃料電池60%的重量和～20%的成本，其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料目前主要是石墨雙極板和金屬雙極板。

膜電極

膜電極是電堆的核心，類似於電腦裡的CPU，決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層（氣體擴散層）組成。國外膜電極的供應商主要有3M、Johnson Matthey、Gore、Greenerity（Toray）、Kolon、Ballard等。

催化劑

催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C，即由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔載型催化劑。

氣體擴散層

氣體擴散層（GDL）位於流場和膜電極之間，主要作用是為參與反應的氣體和產生的水提供傳輸通道，並支撐膜電極。因此，GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結構、良好的導電性、高穩定性。

4、儲氫瓶

目前儲氫瓶可分為以下四種：全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。

數據來源：北京市氫燃料電池發動機工程技術研究中心、DT新能源整理

Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶重容比較大，難以滿足單位質量儲氫密度要求，用於車載供氫系統並不理想。國內車載儲氫瓶多為Ⅲ型，Ⅳ型仍處於研發階段，而國外車載儲氫瓶多為Ⅳ型。除此之外，國外已經在研發Ⅴ型儲氫瓶，即無內膽纖維纏繞，這方面在國內仍屬空白領域。

複合材料儲氫氣瓶由內至外包括內襯材料、過渡層、纖維纏繞層、外保護層、緩衝層。如下圖所示。

豐田也在開發應用新的高壓複合儲氫罐，一方面儲氫材料自身可存儲氫氣，從而實現了固態儲氫; 另一方面由於儲氫粉體材料的堆垛密度有限，高壓儲氫罐內粉體材料的空隙也參與儲氫，從而實現氣-固混合儲氫。這種儲罐更加具有經濟性、安全性，但質量儲氫密度與高壓儲氫罐相比依然偏低，還需要進一步研發改進。

高壓儲氫氣瓶生產流程圖可以簡化為下圖所示：

儲氫瓶關鍵技術

1、內膽設計技術

在傳統的鋁內膽全纏繞氣瓶強度設計中，一般不考慮內膽承載，理論上氣瓶的內壓完全由增強纖維承擔。但事實上，氣瓶內膽在工作壓力下始終處於拉應力狀態，這是制約氣瓶疲勞壽命的關鍵因素。為同時滿足儲氫氣瓶重量輕、耐疲勞性好的要求，選擇合適的內膽形狀與尺寸意義重大。

2、內膽自緊技術

儲氫氣瓶長期於反覆充氣放氣條件下工作，氣瓶每次卸壓後，結構中仍有殘餘應力，這些殘餘應力的不斷累積會對工作應力有很大影響，特別是對氣瓶的使用壽命會有較大負面影響。為了降低或消除這種影響，可以在氣瓶使用前為其施加一個預應力，產生自緊。

3、纏繞成型工藝

碳纖維纏繞成型工藝可分為溼法纏繞和幹法纏繞，其中溼法纏繞由於其成本較低、工藝性好，因此應用較為廣泛。纖維纏繞層的設計需要考慮纖維的各向異性，根據其結構要求，通常採用層板理論和網格理論來計算容器封頭、內襯、纖維纏繞層的應力分布情況，進而確定纏繞工藝中張力選擇與線型分布。

4、纏繞成型的張力控制技術

纏繞成型工藝中需要合理使用張力控制系統，以保障所設計的線型能夠正確鋪覆並控制纖維含量。通過合理控制纏繞張力，可以提高製品的密實度，從而發揮纖維高強高模特性，提高製品抗內壓能力，改善製品的耐疲勞特性。

5、高性能樹脂基體相關技術

碳纖維儲氫氣瓶樹脂基體不僅需要滿足氣瓶對力學強度和韌性的要求，同時由於在長期充氣放氣的使用環境中，基體容易發生疲勞損傷，因此需要高強韌、耐疲勞樹脂體系以保障氣瓶的使用壽命。

本文內容部分整理自：

《氫能知識丨複合材料車載儲氫瓶 燃料電池車的堅強後盾》北極星氫能網

《國內外燃料電池電堆及組件全景圖譜》燃料電池微圈

《氫氧燃料電池反應原理及工作原理》電子發燒友網站

《氫燃料電池工作原理》360個人圖書館 龍在天1101