氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其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。

　　干電池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置，是把電能貯存起來，需要時(shí)再釋放出來；而氫燃料電池嚴(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。

　　航天領(lǐng)域

　　20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就

　　工作示意圖

　　安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。

　　大型電站，無論是水電、火電或核電，都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng)，由電網(wǎng)輸送給用戶。但由于各用電戶的負(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷，這就會(huì)導(dǎo)致停電或電壓不穩(wěn)。另外，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)消耗大量的能源和排放大量的有害物質(zhì)。而使用氫燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%～80%，而且污染少、噪音小，裝置可大可小，非常靈活。

　　氫的化學(xué)特性活躍，它可同許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之后，形成一種金屬氫化物，其中有些金屬氫化物的氫含量很高，甚至高于液氫的密度，而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會(huì)分解，并把所吸收的氫釋放出來，這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。

　　汽車應(yīng)用

　　20輛中國自主研制的氫燃料電池轎車在同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式，它們將在奧運(yùn)會(huì)中投入運(yùn)營。這20輛氫燃料電池轎車是基于大眾帕薩特領(lǐng)馭車型，通過改制和集成最新一代燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)而成功研發(fā)出來的。它們以氫氣為能源，經(jīng)氫氧化學(xué)反應(yīng)生成水，真正實(shí)現(xiàn)零污染。氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多公里，時(shí)速達(dá)每小時(shí)140~150公里。氫燃料電池轎車比同類型內(nèi)燃機(jī)車重200多公斤，貴5倍以上。

　　福田氫燃料電池客車

　　氫燃料電池車的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽極板（負(fù)極），經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源！

　　氫燃料電池車的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑，劣勢(shì)也是顯而易見。隨著科技的進(jìn)步，曾經(jīng)困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術(shù)等問題已經(jīng)逐步攻克并不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發(fā)展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機(jī)的100倍，這個(gè)價(jià)格是市場(chǎng)所難以承受的。

　　據(jù)悉，這批氫燃料電池車，最大輸出功率高達(dá)60千瓦，燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣，大約相當(dāng)于4升93號(hào)汽油。

　　英國政府將大力發(fā)展氫燃料電池汽車，計(jì)劃在2030年之前使英國氫燃料電池車保有量達(dá)到160萬輛，并在2050年之前使其市場(chǎng)占有率達(dá)到30%-50%。政府將從2015年起實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車本土化生產(chǎn)，并自行研發(fā)相關(guān)技術(shù)，另外還將建設(shè)氫燃料補(bǔ)給站。［3］

　　目前豐田汽車公司已經(jīng)將燃料電池的成本大幅降低， 整車價(jià)格控制在6.9萬美元（40萬人民幣）， 可提供100KW動(dòng)力輸出， 續(xù)航能力達(dá)到700公里。 并將在北美和日本本土上市， 上市時(shí)間為2015年上半年。 ［4］

　　飛機(jī)應(yīng)用

　　工作原理

　　燃料電池（Fuel Cell），是一種發(fā)電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續(xù)充電，燃料電池正如其名，是繼續(xù)添加燃料以維持其電力，所需的燃料是“氫”，其之所以被歸類為新能源，原因就在此。燃料電池的運(yùn)作原理（如圖1），也就是電池含有陰陽兩個(gè)電極，分別充滿電解液，而兩個(gè)電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成。氫氣由燃料電池的陽極進(jìn)入，氧氣（或空氣）則由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)由催化劑的作用，使得陽極的氫分子分解成兩個(gè)質(zhì)子（proton）與兩個(gè)電子（electron），其中質(zhì)子被氧‘吸引’到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑之作用下，質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物。燃料電池所使用的“氫”燃料可以來自于水的電解所產(chǎn)生的氫氣及任何的碳?xì)浠衔?，例如天然氣、甲醇、乙醇（酒精）、沼氣等等。由于燃料電池是?jīng)由利用氫及氧的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時(shí)的問題，是目前最具發(fā)展前景的新能源方式，如能普及并應(yīng)用在車輛及其他高污染之發(fā)電工具上，將能顯著減輕空氣污染及溫室效應(yīng)。

　　氫燃料電池飛機(jī)

　　時(shí)速百公里

　　波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次，預(yù)示航空工業(yè)未來更加環(huán)保。但波音承認(rèn)，這一技術(shù)不太可能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮(zhèn)進(jìn)行試飛氫燃料電池飛機(jī)，成功試飛具有歷史意義?！⌒⌒惋w機(jī)起飛及爬升過程使用傳統(tǒng)電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度后，飛機(jī)切斷傳統(tǒng)電池電源，只靠氫燃料電池提供動(dòng)力。飛機(jī)在1000米高空飛行了約20分鐘，時(shí)速約100公里。這一技術(shù)對(duì)波音公司意義重大，也讓航空工業(yè)的未來“充滿綠色希望”。

　　小型飛機(jī)由奧地利“鉆石”（Diamond）雙座螺旋槳?jiǎng)恿铏C(jī)改裝而成，飛機(jī)內(nèi)安裝了質(zhì)子交換膜燃料電池和鋰離子電池。小型飛機(jī)翼展16.3米，機(jī)身長(zhǎng)6.5米，重約800公斤，可容納兩人。試飛過程中，機(jī)上只有飛行員一人。

　　在機(jī)艙內(nèi)，傳統(tǒng)電池安放于唯一的乘客座位上，飛行員背后有一個(gè)類似潛水員使用的氧氣罐。波音公司說，這架飛機(jī)連續(xù)飛行時(shí)間最長(zhǎng)45分鐘，“不會(huì)產(chǎn)生任何噪音”。氫燃料電池通過氫轉(zhuǎn)化為水的過程產(chǎn)生電流，不產(chǎn)生溫室氣體。除熱量外，水蒸氣是氫燃料電池產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品。

　　波音的氫燃料電池飛機(jī)帶來技術(shù)突破，但“波音（歐洲）研究與技術(shù)”部稱，。這一技術(shù)可能為大型飛機(jī)提供輔助動(dòng)力，但這需要技術(shù)突破。

　　在燃料價(jià)格上漲、環(huán)境污染與全球變暖的情況下，對(duì)更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長(zhǎng)。

　　波音的氫燃料電池飛機(jī)帶來技術(shù)突破，但波音（歐洲）研究與技術(shù)部負(fù)責(zé)人埃斯卡蒂說，氫燃料電池可以為小型飛機(jī)提供飛行動(dòng)力，但不能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?/p>

　　波音公司負(fù)責(zé)試飛工作的工程師涅韋斯·拉佩納說，這一技術(shù)可能為大型飛機(jī)提供輔助動(dòng)力，但這需要技術(shù)突破。波音公司說，將繼續(xù)開發(fā)氫燃料電池的潛力，以改善環(huán)境。

　　國際能源機(jī)構(gòu)說，推廣使用氫氣和氫燃料電池，可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產(chǎn)生溫室氣體的能源消耗。

　　氫燃料電池指的是氫通過與氧的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置（單純依靠燃燒氫來驅(qū)動(dòng)的“氫內(nèi)燃機(jī)”，也曾出現(xiàn)過，比如寶馬的氫能7系）。氫燃料電池車的驅(qū)動(dòng)力來自于車上的電動(dòng)機(jī)就像純電動(dòng)車樣，因此氫燃料電池車可以理解為一輛“自帶氫燃料發(fā)電機(jī)的電動(dòng)車”。

　　原理

　　在燃料電池堆棧里，進(jìn)行著氫與氧相結(jié)合的反應(yīng)，其過程中存在電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電流。與此同時(shí)氫與氧化學(xué)反應(yīng)后正好生成水。

　　燃料電池堆棧作為一個(gè)化學(xué)反應(yīng)池，其最為關(guān)鍵的技術(shù)核心為“質(zhì)子交換薄膜”。在這層薄膜的兩側(cè)緊貼著催化劑層，將氫氣分解為帶電離子狀態(tài)，因?yàn)闅浞肿芋w積小，攜帶電子的氫可以透過薄膜的微小孔洞游離到對(duì)面去，但是在攜帶電子的氫穿越這層薄膜孔洞的過程中，電子被從分子上剝離，只留下帶正電的氫質(zhì)子通過薄膜到達(dá)另一端。

　　氫質(zhì)子被吸引到薄膜另一側(cè)的電極與氧分子結(jié)合。薄膜兩側(cè)的電極板將氫氣拆分成氫離子正電和電子、將氧氣拆分 成氧原子以捕獲電子變?yōu)檠蹼x子（負(fù)電），電子在電極板之間形成電流，2個(gè)氫離子和1個(gè)氧 離子結(jié)合成為水，水成為了該反應(yīng)過程中的唯一“廢料”。從本質(zhì)來講整個(gè)運(yùn)行過程就是發(fā) 電過程。隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行，電子不斷發(fā)生轉(zhuǎn)移就形成了驅(qū)動(dòng)汽車所需的電流。

　　氫燃料電池的工作原理

　　優(yōu)勢(shì)

　　節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)越

　　縱觀氫燃料電池整個(gè)運(yùn)行過程中，除了消耗氧氣和空氣之外，沒有其他的能源消耗，沒有加油也沒有充電，節(jié)能性能毋庸置疑。同時(shí)，氫燃料電池堆棧在生產(chǎn)電能的過程中只產(chǎn)生水，因此其最大的優(yōu)勢(shì)就是真正的實(shí)現(xiàn)了“零排放”目標(biāo)。

　　容易實(shí)現(xiàn)

　　燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)只需稍加的改動(dòng)就可以燃用氫氣，而且可以充分利用全球現(xiàn)存的車用發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線路和配套設(shè)施，因此是目前車用發(fā)動(dòng)機(jī)氫能應(yīng)用解決方案中最具經(jīng)濟(jì)性和使用最廣泛的。此外，氫內(nèi)燃機(jī)對(duì)氫燃料純度的要求也沒有燃料電池那么苛刻，并且在內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的汽車廠商已經(jīng)擁有了大量的經(jīng)驗(yàn)。

　　燃料補(bǔ)充時(shí)間與燃油車相當(dāng)

　　氫燃料電池車加注氫氣的過程非?？焖俦憬?，專用的加氫設(shè)備僅需3分鐘即可充滿氫原料，相對(duì)于純電動(dòng)車超長(zhǎng)的充電等待時(shí)間而言，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。

　　性能叫板燃油車

　　奧迪A7Sportbackh-tronquattro作為一款氫燃料電池車，前后軸各配備了一臺(tái)最大輸出功率85Kw，最大扭矩270Nm的電動(dòng)機(jī)，總功率達(dá)170Kw，更提供了高達(dá)540Nm的扭矩。該車0-100Km加速7.9秒，最高時(shí)速180Km/h，可與汽油車媲美。

　　應(yīng)用前景

　　氫燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是令人難以想象的 ，如果使純氫氣， 它的生產(chǎn)產(chǎn)物只有水， 無污染、無噪聲 、效率高 、響應(yīng)性好等。氫燃料電池不但在汽車上可作為汽車的綠色動(dòng)力源，而且在工業(yè)上也可作為一個(gè)大型氫燃料發(fā)電站 ， 前景是不言而喻的。整個(gè)氫能系統(tǒng)技術(shù)中的燃料電池 ，被加拿大著名科學(xué)家斯科特比喻為能源系統(tǒng)的“芯片” ，即能源供應(yīng)中起著重要的關(guān)鍵作用 ，它進(jìn)而延伸至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展， 以及人民生活中起著不可或缺的重要作用。