用於清潔交通的氫燃料電池的趨勢和前景

本文將重點介紹氫燃料電池及其應用的趨勢和前景。氫基燃料電池在當今汽車行業越來越受到關注，因為如果說20世紀是內燃機的世紀，那麼21世紀可能會成為汽車行業的氫能源世紀。直到今天，由於氫電池、宇宙飛船的工作，在世界上的一些國家，氫已經被用於發電 10 多年。

氫燃料電池是一種像電池一樣的電化學裝置，通過氫和氧之間的化學反應產生電能，化學反應的產物是純淨水，而燃燒例如天然氣會產生對環境有害的二氧化碳。

此外，氫電池可以以更高的效率運行，這就是它們特別有前途的原因。想像一下高效、環保的汽車發動機。但目前整個基礎設施都是專門為石油產品建造的，在汽車行業大規模引入氫電池面臨著這個和其他障礙。

同時，從1839年開始，人們就知道氫和氧可以發生化學結合，從而產生電流，即電解水的過程是可逆的——這是一個已證實的科學事實。早在 19 世紀，人們就開始研究燃料電池，但石油生產的發展和內燃機的發明留下了氫能源，它們變得奇特、無利可圖且生產成本高昂。

在 1950 年代，美國宇航局被迫求助於氫燃料電池，然後是迫不得已。他們需要為他們的航天器提供緊湊高效的發電機。結果，阿波羅和雙子座乘坐氫燃料電池飛入太空，事實證明這是最好的解決方案。

今天，燃料電池完全脫離了實驗技術，在過去的 20 年裡，燃料電池在更廣泛的商業化方面取得了重大進展。

人們對氫燃料電池寄予厚望並沒有白費。在他們的工作過程中，環境污染極小，技術優勢和安全性明顯，而且這種燃料從根本上是自主的，能夠替代笨重和昂貴的鋰電池。

氫電池的燃料在化學反應過程中直接轉化為能量，比傳統燃燒獲得更多的能量。它消耗的燃料更少，效率是使用化石燃料的類似設備的三倍。

效率越高，對反應過程中產生的水和熱的利用方式就越合理。有害物質的排放量很少，因為只有水、能量和熱量被釋放，而即使是組織最成功的傳統燃料燃燒過程，也不可避免地會形成氮氧化物、硫、碳和其他不必要的燃燒產物。

此外，傳統燃料工業本身對環境有不利影響，而氫燃料電池避免了對生態系統的危險入侵，因為可以從完全可再生能源中生產氫氣。即使這種氣體洩漏也是無害的，因為它會立即蒸發。

燃料電池的運行與從哪種燃料氫中獲得無關緊要。以 kWh / l 為單位的能量密度將是相同的，並且隨著製造燃料電池的技術的改進，該指標不斷增加。

氫氣本身可以從任何方便的本地來源獲得，無論是天然氣、煤炭、生物質還是電解（通過風能、太陽能等）。對區域電力供應商的依賴消失，系統通常獨立於電網。

電池的工作溫度非常低，可以在 80 到 1000°C 之間變化，具體取決於元件的類型，而傳統的現代內燃機的溫度達到 2300°C。燃料電池結構緊湊，發電時噪音極小，無有害物質排放，因此可以放置在其工作系統中任何方便的地方。

原則上，不僅電，而且化學反應過程中釋放的熱量也可用於有用的目的，例如用於加熱水、空間加熱或冷卻 - 通過這種方法，電池中產生能量的效率將接近90%。

電池對負載變化很敏感，因此隨著功耗的增加，必須供應更多的燃料。這類似於汽油發動機或內燃發電機的工作原理。從技術上講，燃料電池的實現非常簡單，因為沒有活動部件，設計簡單可靠，故障概率從根本上說是極小的。

帶有質子交換膜（例如“帶有聚合物電解質”）的氫氧燃料電池包含一個從聚合物（Nafion、聚苯並咪唑等）傳導質子的膜，它分隔兩個電極 - 陽極和陰極。每個電極通常是帶有負載催化劑的碳板（矩陣）——鉑或類鉑和其他化合物的合金。

在陽極催化劑上，分子氫解離並失去電子。氫陽離子穿過膜傳輸到陰極，但電子被提供給外部電路，因為膜不允許電子通過。在陰極催化劑上，氧分子與電子（由外部通信提供）和進入的質子結合形成水，水是反應的唯一產物（以蒸汽和/或液體的形式）。

是的，今天的電動汽車使用鋰電池。然而，氫燃料電池可以替代它們。代替電池，電源將支持更輕的重量。此外，汽車的功率根本不會因為增加電池單元而導致重量增加，而只是通過調整系統在氣缸中的燃料供應量來增加。因此，汽車製造商對氫燃料電池寄予厚望。

十多年前，世界上許多國家都開始研發氫能汽車，尤其是美國和歐洲。使用位於車輛上的特殊過濾壓縮機單元，可以直接從大氣中提取氧氣。壓縮氫氣儲存在壓力約為 400 atm 的重型鋼瓶中。加油需要幾分鐘。

環保城市交通的概念自 2000 年代中期開始在歐洲得到應用：阿姆斯特丹、漢堡、巴塞羅那和倫敦早就出現了這種客車。在大都市中，沒有有害排放物和降低噪音極為重要。首列氫動力鐵路客運列車 Coradia iLint 於 2018 年在德國開通。到 2021 年，計劃再開通 14 列此類列車。

在接下來的 40 年裡，向氫作為汽車主要能源的轉變可能會徹底改變世界的能源和經濟。儘管現在很清楚，石油和天然氣仍將是主要燃料市場至少再過 10 年。儘管如此，一些國家已經在投資製造氫燃料電池汽車，儘管需要克服許多技術和經濟障礙。

建設氫氣基礎設施、安全的加油站是主要任務，因為氫氣是一種爆炸性氣體。無論哪種方式，使用氫氣都可以顯著降低車輛燃料和維護成本，並提高可靠性。

據彭博社預測，到 2040 年，汽車將消耗 1,900 太瓦時，而不是目前的每天 1,300 萬桶，這將佔電力需求的 8%，而當今世界生產的石油中有 70% 用於生產運輸燃料.當然，在這一點上，純電動汽車市場的前景比氫燃料電池更為明顯和令人印象深刻。

2017 年，電動汽車市場規模為 174 億美元，而氫燃料汽車市場規模僅為 20 億美元。儘管存在這種差異，投資者仍然對氫能感興趣並為新的發展提供資金。

因此，在 2017 年，氫能委員會成立，其中包括奧迪、寶馬、本田、豐田、戴姆勒、通用、現代等 39 家主要汽車製造商。其目的是研究和開發新的氫技術及其隨後的廣泛分佈。