技術的進步導致了新形式的儲能選擇的發展。可充電電池等儲能設備繼續主導市場，但燃料電池正在崛起。自第一個商業化的氫氧燃料電池問世以來，已經將近一個世紀了。燃料電池能源效率1和功率密度的最新進展，加上應對氣候變化的努力和綠色能源發電的推動，使它們更具吸引力，尤其是那些使用綠色氫的燃料電池。這篇文章將探討燃料電池背后的化學原理，以及為支持廣泛應用而開發的不同燃料電池變體。

介紹

燃料電池是一種類似于電池的能量產生技術，但有一些根本區別。燃料電池和電池之間的主要區別之一是燃料電池需要持續的燃料源才能發揮作用。相反，電極之間已經存在的離子的穿梭在電池中產生能量。如果提供連續的燃料源——最常見的選擇是氫氣和氧氣——燃料電池可以繼續產生能量。燃料電池提供持續電力的能力在某些應用中可能是有利的——例如，作為備用電源2讓數據中心擺脫燃燒化石燃料的備用柴油發電機，并作為農村地區的替代電力來源（微電網），這不僅有電力，而且能夠顯著節省基礎設施成本。

燃料電池的工作原理

與標準電池設置一樣，燃料電池具有陽極、陰極和電解質（在電極之間），并依靠各種電化學反應產生能量。對于燃料電池來說，是在兩個電極上發生的反應產生電能，盡管有許多不同類型的燃料電池，但最常見的工作機制涉及質子（即帶正電的氫離子）在電極之間的移動。兩個電極都含有催化劑，有助于促進電化學反應并將原料“燃料”分解成相應的電離物質。催化劑確實因燃料電池而異，但它需要是一種可以促進氧和氫反應的材料，因此常見的選擇包括鉑和鎳。

雖然氫是電池的基本燃料，但它們也需要氧氣，而這是大多數燃料電池工作需要持續供應的兩種基本原料。由于電解質將兩個電極隔開，因此存在兩個截然不同的電極-電解質界面，這些是發生電化學反應的區域。

當氫氣通過陽極進入時，陽極處的電化學反應會帶走它們的電子，從而產生帶正電的氫離子，即質子。然后釋放的電子進入外電路，產生電流，而氫離子則通過電解質到達陰極。電解質充當質子交換膜 (PEM)，只允許帶正電的離子通過，排除任何被移除的電子，以便它們只進入外部電路而不會試圖擴散到另一個電極，因為這會阻止相關的化學物質發生的反應。氧氣也被送入陰極，當催化劑將分子氧分解成帶負電的氧離子時，電子被噴射到外電路，與帶正電的氫離子以及陰極界面處的氧離子重新結合。結果是水作為最終產品產生，通過燃料電池的廢氣去除。

燃料電池的不同變體

這種基本的燃料電池機制被稱為“氫燃料電池”，是現有最常見的燃料電池類型。雖然這是默認的燃料電池機制，但也有變化。大多數燃料電池的工作原理相似，都需要氫氣和氧氣作為燃料，但有些還需要其他燃料。所有燃料電池的主要區別在于用于將氫離子傳輸到陰極的電解質類型。

燃料電池的主要類型有：

堿性燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)

磷酸燃料電池 (PAFC)

固體氧化物燃料電池 (SOFC)

PEM燃料電池

與任何事物一樣，不同的變體都有它們的位置，有些僅適用于特定情況。

堿性燃料電池中的“堿”來自所用的電解質，即氫氧化鉀（一種堿性物質），它是與其他類型燃料電池的唯一區別，而不是在低溫下運行的燃料電池。另一方面，MCFC 在較高溫度下運行，并且具有二氧化碳以及氧氣和氫氣的入口，因為電解質中的碳酸根離子被耗盡，需要通過注入二氧化碳來補充）。MCFC 使用碳酸鹽作為電解質。由于它們在較高溫度下運行，因此它們并不適合所有應用，尤其是家庭使用，因為高溫會導致泄漏。

另一種低溫燃料電池 PAFC 使用磷酸作為電解質。然而，PAFC 是一個有趣的變體，因為內部工作原理可以容忍一氧化碳的形成，這意味著汽油可以用作燃料，盡管這不是綠色選擇。與其他電池不同，SOFC 和 PEM 燃料電池使用非液體電解質，SOFC 使用金屬氧化物陶瓷化合物（例如氧化鋯），PEM 燃料電池使用薄且可滲透的聚合物片。SOFC 在非常高的溫度下運行，并且由于電解質可能破裂而不是泄漏而再次限制使用。另一方面，PEM 燃料電池屬于極低溫燃料電池，但效率較低，使用前必須對燃料進行凈化。

除了通過電化學反應產生能量外，產生的熱量還可以用來產生額外的電能，因此雖然一些溫度較高的燃料電池不太穩定，但如果燃料和副產品產生的熱量都可以產生更多的能量同時被利用。

結論

雖然有許多不同類型的燃料電池，但它們都通過類似的機制工作。所有燃料電池都需要氫氣和氧氣才能發揮作用，電極處的電化學反應會分解這些氣體以產生水，隨后在此過程中產生電能。因此，燃料電池的整體電化學反應是：氫+氧=電+水蒸氣。

燃料電池是電池的替代技術，被視為更環保的選擇，因為它們只產生對環境無害的水。與許多商用電池相比，它們通常更難實施，但除了綠色環保之外，燃料電池的主要優勢之一是只要同時供應氫氣和氧氣，它們就會一直發電。

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一名作家、記者和傳播者，專門研究化學和納米技術以及分子水平的基本原理如何應用于許多不同的應用領域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學家和非科學家解釋復雜的科學主題。Liam 在與化學和納米技術交叉的各個科學領域和行業發表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術工業協會 (NIA) 的高級科學傳播官，過去幾年一直在為全球的公司、協會和媒體網站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學與納米技術和化學工程的碩士學位。

除了寫作之外，利亞姆還是美國國家石墨烯協會 (NGA)、全球組織納米技術世界網絡 (NWN) 的顧問委員會成員，以及英國科學慈善機構 GlamSci 的董事會成員。Liam 還是英國納米醫學學會 (BSNM) 和國際先進材料協會 (IAAM) 的成員，以及多個學術期刊的同行評審員。

審核編輯黃宇