用于清洁交通的氢燃料电池的趋势和前景
本文将重点介绍氢燃料电池及其应用的趋势和前景。氢基燃料电池在当今汽车行业越来越受到关注，因为如果说20世纪是内燃机的世纪，那么21世纪可能会成为汽车行业的氢能源世纪。直到今天，由于氢电池、宇宙飞船的工作，在世界上的一些国家，氢已经被用于发电 10 多年。
氢燃料电池是一种类似电池的电化学装置，通过氢和氧之间的化学反应产生电能，化学反应的产物是纯净水，而燃烧天然气等会产生对环境有害的二氧化碳。
此外，氢电池可以以更高的效率运行，这就是它们特别有前途的原因。想象一下高效、环保的汽车发动机。但目前整个基础设施都是专门为石油产品建造的，在汽车行业大规模引入氢电池面临着这个和其他障碍。
同时，从1839年开始，人们就知道氢和氧可以发生化学结合，从而产生电流，即电解水的过程是可逆的——这是一个已证实的科学事实。早在 19 世纪，人们就开始研究燃料电池，但石油生产的发展和内燃机的发明留下了氢能源，它们变得奇特、无利可图且生产成本高昂。
在 1950 年代，美国宇航局被迫求助于氢燃料电池，然后是迫不得已。他们需要为他们的航天器提供紧凑高效的发电机。结果，阿波罗和双子座乘坐氢燃料电池飞入太空，事实证明这是最好的解决方案。
今天，燃料电池完全脱离了实验技术，在过去的 20 年里，燃料电池在更广泛的商业化方面取得了重大进展。
人们对氢燃料电池寄予厚望并没有白费。在他们的工作过程中，环境污染极小，技术优势和安全性明显，而且这种燃料从根本上是自主的，能够替代笨重和昂贵的锂电池。
氢电池的燃料在化学反应过程中直接转化为能量，比传统燃烧获得更多的能量。它消耗的燃料更少，效率是使用化石燃料的类似设备的三倍。
效率越高，对反应过程中产生的水和热的利用方式就越合理。有害物质的排放量很少，因为只有水、能量和热量被释放，而即使是组织最成功的传统燃料燃烧过程，也不可避免地会形成氮氧化物、硫、碳和其他不必要的燃烧产物。
此外，传统燃料工业本身对环境有不利影响，而氢燃料电池避免了对生态系统的危险入侵，因为可以从完全可再生能源中生产氢气。即使这种气体泄漏也是无害的，因为它会立即蒸发。
燃料电池的运行与从哪种燃料氢中获得无关紧要。以 kWh / l 为单位的能量密度将是相同的，并且随着制造燃料电池的技术的改进，该指标不断增加。
氢气本身可以从任何方便的本地来源获得，无论是天然气、煤炭、生物质还是电解（通过风能、太阳能等）。对区域电力供应商的依赖消失，系统通常独立于电网。
电池的工作温度非常低，可以在 80 到 1000°C 之间变化，具体取决于元件的类型，而传统的现代内燃机的温度达到 2300°C。燃料电池结构紧凑，发电时噪音极小，无有害物质排放，因此可以放置在其工作系统中任何方便的地方。
原则上，不仅电，而且化学反应过程中释放的热量也可用于有用的目的，例如用于加热水、空间加热或冷却 - 通过这种方法，电池中产生能量的效率将接近90%。
电池对负载变化很敏感，因此随着功耗的增加，必须供应更多的燃料。这类似于汽油发动机或内燃发电机的工作原理。从技术上讲，燃料电池的实现非常简单，因为没有活动部件，设计简单可靠，故障概率从根本上说是极小的。
带有质子交换膜（例如“带有聚合物电解质”）的氢氧燃料电池包含一个从聚合物（Nafion、聚苯并咪唑等）传导质子的膜，它分隔两个电极 - 阳极和阴极。每个电极通常是带有负载催化剂的碳板（矩阵）——铂或类铂和其他化合物的合金。
在阳极催化剂上，分子氢解离并失去电子。氢阳离子穿过膜传输到阴极，但电子被提供给外部电路，因为膜不允许电子通过。在阴极催化剂上，氧分子与电子（由外部通信提供）和进入的质子结合形成水，水是反应的唯一产物（以蒸汽和/或液体的形式）。
是的，今天的电动汽车使用锂电池。然而，氢燃料电池可以替代它们。代替电池，电源将支持更轻的重量。此外，汽车的功率完全不会因为增加电池单元而导致重量增加，而只是通过调整系统在气缸中的燃料供应量来增加。因此，汽车制造商对氢燃料电池寄予厚望。
十多年前，世界上许多国家都开始研发氢能汽车，尤其是美国和欧洲。使用位于车辆上的特殊过滤压缩机单元，可以直接从大气中提取氧气。压缩氢气储存在压力约为 400 atm 的重型钢瓶中。加油需要几分钟。
环保城市交通的概念自 2000 年代中期开始在欧洲得到应用：阿姆斯特丹、汉堡、巴塞罗那和伦敦早就出现了这种客车。在大都市中，没有有害排放物和降低噪音极为重要。首列氢动力铁路客运列车 Coradia iLint 于 2018 年在德国开通。到 2021 年，计划再开通 14 列此类列车。
在接下来的 40 年里，向氢作为汽车主要能源的转变可能会彻底改变世界的能源和经济。尽管现在很清楚，石油和天然气仍将是主要燃料市场至少再过 10 年。尽管如此，一些国家已经在投资制造氢燃料电池汽车，尽管需要克服许多技术和经济障碍。
建设氢气基础设施、安全的加油站是主要任务，因为氢气是一种爆炸性气体。无论哪种方式，使用氢气都可以显着降低车辆燃料和维护成本，并提高可靠性。
据彭博社预测，到 2040 年，汽车将消耗 1,900 太瓦时，而不是目前的每天 1,300 万桶，这将占电力需求的 8%，而当今世界生产的石油中有 70% 用于生产运输燃料.当然，在这一点上，纯电动汽车市场的前景比氢燃料电池更为明显和令人印象深刻。
2017 年，电动汽车市场规模为 174 亿美元，而氢燃料汽车市场规模仅为 20 亿美元。尽管存在这种差异，投资者仍然对氢能感兴趣并为新的发展提供资金。
因此，在 2017 年，氢能委员会成立，其中包括奥迪、宝马、本田、丰田、戴姆勒、通用、现代等 39 家主要汽车制造商。其目的是研究和开发新的氢技术及其随后的广泛分布。