氫燃料電池的技術(shù)特點及應(yīng)用

何 奇

(長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130000)

1 氫燃料電池發(fā)展歷程與原理結(jié)構(gòu)

氫燃料電池是一種以氫元素為核心和基礎(chǔ)，制造儲存能力的電池。氫燃料電池發(fā)展的基本原理是電解水反應(yīng)的逆反應(yīng)，燃料電池在這樣反應(yīng)下的產(chǎn)物是電與水。電解水反應(yīng)的逆反應(yīng)具體過程如下：電池陽極部分的氫元素在催化劑催化作用下分解為質(zhì)子與電子，帶陽電荷的質(zhì)子穿越隔膜到達(dá)陰極，而帶陰電荷的電子在外部運動，產(chǎn)生電能；在陰極部分的氧離子在催化劑催化作用下與電子、質(zhì)子發(fā)生化合反應(yīng)生成水。通過大量的串聯(lián)燃料電池，形成電池組，即可以產(chǎn)生大量電能，滿足用電需要。氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要有電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等，這些結(jié)構(gòu)共同工作，使得氫燃料電池能夠產(chǎn)生和釋放電能。

2 氫燃料電池的技術(shù)特點

相對于傳統(tǒng)燃料電池，氫燃料電池在技術(shù)上有著諸多的優(yōu)勢和優(yōu)點，具體的技術(shù)特點如下：一是氫燃料電池能量轉(zhuǎn)換率高，綠色環(huán)保。燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生和釋放電能，避免了傳統(tǒng)的燃燒或者儲能的方式會對環(huán)境造成極大的污染問題，且作為能源，氫的制備與開發(fā)同樣可以通過風(fēng)能發(fā)電、光伏電池板等方式進(jìn)行，整體的用電循環(huán)不會產(chǎn)生污染和有害物質(zhì)。二是氫燃料電池噪聲振動小、使用壽命長。燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行電能的產(chǎn)生與釋放，只要燃料與催化劑能夠保證供給，即可保障電能產(chǎn)生。因此氫燃料電池的使用壽命遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的原電池與蓄電池。同時因為氫燃料電池發(fā)電無需機(jī)械部件的工作，因此產(chǎn)生的噪聲與振動也相對更小。三是制備原料多，能源補充迅速。氫元素在自然界廣泛地存在，且其存在形式眾多，例如水、再生能源等。這些物質(zhì)經(jīng)過制備與反應(yīng)等，可以產(chǎn)生大量的氫元素用于氫燃料電池中。除此之外，氫燃料電池進(jìn)行氫氣的補充工作一般情況下僅需要幾分鐘，能夠迅速補充能源。四是密封性嚴(yán)格。氫元素是極小的元素，容易泄露，且其較為活潑，容易與多種物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，造成不可估量的后果，因此需要嚴(yán)格的密封。

3 氫燃料電池的應(yīng)用前景

氫燃料電池經(jīng)過多年的發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)有了顯著的進(jìn)步，更多的氫燃料電池開始在諸多行業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。就目前而言，應(yīng)用氫燃料電池最多的即是新能源汽車中，尤其是電動汽車。車用氫燃料電池有效率高、能源轉(zhuǎn)化比高、啟動速度快、環(huán)保性能好、污染小等顯著的優(yōu)勢優(yōu)點，是未來汽車動力能源的最為主要和最佳選擇之一，也是取代汽車內(nèi)燃機(jī)的一種理想方案，被稱為“汽車工業(yè)的未來”。在當(dāng)前的汽車企業(yè)公司中，主要應(yīng)用氫燃料電池的有通用汽車、豐田汽車、特斯拉、蔚來等，應(yīng)用氫燃料電池作為電動汽車的能源，一方面能夠顯著地減少因傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒造成的環(huán)境污染問題，同時能夠減少不可再生能源的使用消耗；另一方面也能夠推動氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為未來新能源汽車的發(fā)展提供一定的經(jīng)驗借鑒。

目前，在通信運營商中，氫燃料電池的應(yīng)用處于起步階段，其更多地應(yīng)用于接入網(wǎng)、基站等小容量站點，而且下述幾個方面的場景對氫燃料電池起到了積極的推動作用。

(1)高效率的交流后備電源。與柴油發(fā)電機(jī)和汽油發(fā)電機(jī)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比較高，可以超過60%，而前兩者很難超過40%。如果市電經(jīng)常出現(xiàn)停電，此時可以在通信站點選擇高效率的交流輸出氫燃料電池來取代油機(jī)發(fā)電。

(2)高效率直流后備電源。對于氫燃料電池而言，其供電系統(tǒng)輸出直流不僅可以降低后備鉛酸蓄電池容量，而且還可以直接替換自帶大容量電容的后備鉛酸蓄電池。一旦市電停電后，氫燃料電池不需要經(jīng)過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換就能夠直接進(jìn)行供電，從而有效降低開關(guān)電源的效率損失，提高供電效率。

(3)放開站點溫度要求后所達(dá)到的間接節(jié)能效果。對于通信站點內(nèi)而言，傳輸設(shè)備和無線設(shè)備運行過程中具有比較強(qiáng)的高溫適應(yīng)性，而此時的鉛酸蓄電池對環(huán)境溫度提出了嚴(yán)格的要求，因此需要對其給予高度的關(guān)注。與普通鉛酸蓄電池相比，氫燃料電池對環(huán)境溫度具有更寬的要求，具有比較強(qiáng)的高、低溫環(huán)境適應(yīng)性，其儲存溫度一般控制在-40℃～+60℃，工作溫度一般控制在-40℃～+45℃，此時可以結(jié)合實際情況適當(dāng)?shù)胤砰_對基站機(jī)房環(huán)境溫度的基本要求，從而確保其安全、高效運行。通過多年來的工作經(jīng)驗總結(jié)得知，對于通信站點機(jī)房而言，空調(diào)設(shè)定溫度每升高1℃，將會使空調(diào)能耗降低大概4%左右，這樣既拓寬了通信站點的溫度要求，又可以達(dá)到間接節(jié)能的效果。

(4)嚴(yán)格控制站點的環(huán)境污染要求。氫燃料電池雖然不會對礦物能源產(chǎn)生過多的依賴，而且在實際發(fā)電過程中不燃燒，且所有的反應(yīng)產(chǎn)物均為水，與柴油發(fā)電機(jī)、汽油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等相比，可以大大降低尾氣污染物的排放。同時，氫燃料電池還可以大大降低，甚至可以完全取代后備蓄電池組容量，降低對鉛等化學(xué)原材料的使用，從而避免了對周圍環(huán)境造成的污染。

4 結(jié)語

總而言之，在世界能源資源開采難度日益增大，其價格與日俱增的背景下，選擇新能源進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，是必然的趨勢與選擇。氫作為一種能源，有著來源廣泛、轉(zhuǎn)化率高、無污染等眾多優(yōu)點，雖然也存在一部分技術(shù)難點與問題，但其未來應(yīng)用是不可否認(rèn)的。文章對氫燃料電池進(jìn)行分析研究，有著現(xiàn)實的價值與意義，希望能夠幫助推動氫燃料電池的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步。