最后更新：2023年6月20日

为什么在燃料电池中使用氢气？

氢能用于燃料电池，是因为它通过简单的电化学反应与氧气作用，无需燃烧即可发电，且无污染排放。这种能源载体极轻、储量丰富，并具有卓越的能效，能提供产生电流的电子，而生成的水则体现了过程的清洁性。因此，氢能是为需要持续供能的系统提供可持续动力、推动向更清洁技术转型的关键解决方案。

燃料电池的历史

故事始于18世纪末，当时英国科学家威廉·尼科尔森（1753-1815）发现水可以通过电力分解为氢气和氧气。但现代燃料电池的基础是在19世纪初奠定的。1839年，英国物理学家威廉·格罗夫（1811-1896）发明了第一个可工作的燃料电池，即格罗夫电池。它使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，反应产物是水和电。在随后的几十年里，多位化学家对燃料电池技术做出了重要贡献，包括弗朗西斯·托马斯·培根（1904-1992）、威廉·奥斯特瓦尔德（1853-1932）和卡尔·科尔德施（1922-2011）。1889年，德国研究员路德维希·蒙德（1839-1909）开发了一种基于气体的燃料电池，使用一氧化碳作为燃料。1965年，双子座5号太空任务首次在其航天器上使用了质子交换膜燃料电池（PEMFC）。此后，不同类型的燃料电池被开发出来，包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池，每种电池在太空、电动汽车、应急备用系统及固定式应用等多个领域各有优势。

为什么叫“燃料电池”？

术语“燃料电池”强调的是设备内部发生的电化学过程，而非所使用的具体燃料类型。只要实时供应燃料和氧化剂，燃料电池就能持续提供电力。与电池不同，燃料电池不储存电能，因此无需充电。另一方面，为了持续使用，需要妥善储存和运输燃料。“燃料”一词被广泛使用，涵盖可用的不同燃料类型，例如氢气（H₂）、甲醇（CH₃OH）、甲烷（CH₄）、丙烷（C₃H₈）、合成气、一氧化碳（CO）与氢气（H₂）的混合物等。 “燃料电池”这一通用术语也为未来纳入其他化学化合物留出了空间。

氢氧燃料电池是如何工作的？

氢氧燃料电池，又称质子交换膜燃料电池（PEMFC），需要持续供应氢气和氧气。氢气被输送到阳极（负极），而氧气（通常为空气）则被输送到阴极（正极）。两个电极由一层离子传导性聚合物膜（即电解质）隔开。在阳极，氢气在铂等材料的催化下，通过解离反应分解为氢离子（质子H⁺）和电子（e⁻）。阳极催化剂促进此反应（2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻）。随后，质子通过质子交换膜（PEM）传输到阴极，而电子被迫流经外部电路，产生可用于为电子设备供电的电流。因此，电子提供电能后，到达阴极，与质子及氧气发生还原反应，生成水。阴极催化剂（通常为铂与其他金属的合金）促进此反应（O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O）。阴极产生的水，以及多余的氢气和未消耗的氧气，以水蒸气和空气的形式从燃料电池中排出。氢氧燃料电池中化学反应的总体方程式为：2H₂（氢气）+ O₂（氧气）→ 2H₂O（水）。