氢和燃料电池

多年来，世界依赖石油和其他化石燃料发电，正因为如此我们正面临着全球变暖的问题。燃料电池的电力供应非常干净、安静、安全，每个燃料电池都有两个电极，一个正极和一个负极，分别称为阳极和阴极，发电的反应发生在电极处。每个燃料电池也有一个电解质，它携带一个带电粒子到另一个电极，以及加速电极反应的催化剂。氢是基本的燃料，但燃料电池也需要氧气。燃料电池的一大吸引力在于它们没有发电污染，这是因为用于发电的氢气和氧气最终结合在一起形成无害的副产品，即水和热。

现在，蒸汽重整制氢在生产中大量应用，其效率可以达到80%。

蒸汽重整过程：对于高温（700-1100°C）的过程，蒸汽（H2O）与甲烷（CH）在吸热反应中产生气体。

气化：CH4+H2O→CO+3H2

在第二阶段，在约360℃下通过放热的水煤气转换反应生成额外的氢气，

CO+H2O→CO2+H2

图1 氢的来源和生产方式

在质子交换膜燃料电池工作中，氢气从氢气罐传递到阳极，氧气传递到阴极。当氢与阳极催化剂反应时，它会分解成电子和质子。该质子移动到电解质并且电子移动到提供电力的外部负载电路，然后移动到阴极，在那里它与来自电解质的氢气和来自大气的氧气发生反应。在阴极处，氢、氧质子和电子结合在一起形成水和热量，副产品是干净的对环境无害的水。

在正常负载范围内，燃料电池与柴油机、汽油机相比效率更高。内燃机的最大理论效率为58%，而燃料电池的输出功率比为83%。

氢能和燃料电池汽车已经在福特和丰田等公司生产，但生产规模不大。正如我们所知，在地球上氢气不是可直接应用的资源，但它可以通过使用风能和太阳能等可再生能源来生产。目前，氢气正在通过甲烷或化石燃料来制备。通过整合风能和太阳能氢生产装置，可以以低成本大规模生产氢。但是氢的单位体积输出能量低，氢运输、大型储氢和高压氢气进入储氢设备等问题仍然亟待解决。