汽车加水就能跑的秘密——一文读懂氢燃料电池

汽车不喝油，只喝水就能跑，你信吗?5月23日的《南阳日报》报道，水氢发动机在该市正式下线，这意味着车载水可以实时制取氢气，车辆只需加水即可行驶。由于该报道挑战了不少物理、化学常识，引发了网友极大关注，相关话题也登上了微博热搜榜。

如此神奇的“黑科技”是真的吗?“水氢车”是怎么跑起来的?在记者追问下，金华青年汽车制造有限公司回应，“车载水解制氢氢能源汽车不是光加水，是反应物在我们研究的催化剂作用下，和水反应实时制氢，氢气经过氢燃料电池产生电，经过电机驱动车辆，使车辆行驶。”

原来，让汽车行驶起来的，并不是水，而是加水后通过一系列反应产生氢气。汽车真正的动力实现上来自于氢燃料电池。

氢燃料电池的工作原理

虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的，这一过程最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……

因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、将氧气拆分成氧离子(负电)和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，整个运行过程就是发电过程。

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图所示。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两极之间是电解质。氢燃料电池发电过程如下：

1、氢气通过管道或导气板到达阳极;

2、在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：

3、在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：

总的化学反应为：

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

4、在电极与电解质的界面上，当表念得电流不流动而处于平衡状态时，电极上发生氧化还原反应，其电解的平衡电压由斯特式可得到

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氢燃料电池系统结构

氢燃料电池系统是由电堆(核心)、氢气供给循环系统、空气供给循环系统、水热管理系统、电控系统、智能监控系统相互协调构成。

氢燃料电池系统核心零部件

1、电堆(Galvanicpile)，分为水冷电堆和空冷电堆。一般空冷电堆用于小型化设备中，如上海攀业、江苏清能生产的空冷电堆，功率、体积较小。

2、膜电极(MembraneElectrodeAssemblies)，通常由气体扩散层、质子交换膜、催化剂通过热压工艺制成，是氢燃料电池技术的核心。目前我国的膜电极功率密度最高达到1.0W/cm2,与国际水平的1.8W/cm2，仍有差距。

3、催化剂(Fuel-cellcatalyzer)，具有加速电极交换界面电荷转移反应的催化作用，具有导电性好、耐腐蚀性、催化活性高的特点。铂(Pt)是氢燃料电池电堆中应用最多的催化剂，但铂很稀缺，价格高(193元/克)，低铂和非铂催化剂成为下一步催化剂研究开发的重点。

4、质子交换膜(ProtonExchangeMembrane)，是氢燃料电池的心脏，具有为电解质提供氢离子通道和隔离两极反应气体，防止它们直接产生作用的双重作用。其类型包括：全氟磺酸膜、非全氟化膜、无氟化膜和复合膜，其中全氟磺酸膜是主流，主要供应商是美国杜邦公司。

5、双极板(BipolarPlate)，是质子交换膜氢燃料电池的关键零部件，影响电池的性能和成本，是制约氢燃料电池产业化的瓶颈之一。其类型分为：金属双极板、石墨双极板、复合双极板。迄今使用最广发的是石墨双极板，但是他制备加工工艺复杂，成本较高，不适合批量生产。

6、氢燃料电池系统辅件，包括空压机、增湿器、氢循环系统、DC/DC(直流-直流电转换器)。目前空压机和DC/DC有国内产品，但加湿器、氢循环系统我国处于空白状态，全部依赖进口。

氢燃料电池的优势

1、洁净、安全的发电装置：从发电厂、工厂，以及汽车等排出的大量各种物质是造成大气污染和地球温暖化的主要原因。而燃料电池可以替代这些正在使用的锅炉和内燃机等。

2、多燃料系统：在地球上，氢绝大多数是以化合物的形式存在。比如：氢氧化合物(水)和碳氢化合物。可以作为燃料电池原料使用的碳氢化合物主要来源于天然气、液化气、石油和煤炭等化石燃料。可根据各种燃料电池的用途和条件选择使用最合适的燃料。

3、高效率的发电装置。

4、分散型的发电装置：规模最大的可以替代火力发电或核能发电，用于商业发电。不需要庞大的设备，不需要变送电系统;与核能相比，发生事故的危险性较小。可以建在大城市的近郊。规模稍小的可以建在住宅小区、办公楼、厂区甚至城市的中心地带。可以减少因长距离输送电力而产生的损耗。面向个人用途的超小型燃料电池可以作为笔记本电脑和移动便携电话的电源。

氢能源的特点

1、所有元素中氢重量最轻，在标准状态下，它的密度为0.0899g/L;在-252.7℃时，可以成为液体，若将压力增大到数十MPa，液氢就可以变成金属液;

2、所有气体中氢的导热性最好，比大多气体的导热性高出10倍，因此在能源工业中氢时极好的传热载体;

3、氢是自然界中最普遍的元素，据估计它构成宇宙质量的75%，出空气中含有氢气外，它主要以化合物的形式储存于水中，而水是地球上最广泛的物质，据推算，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的热量还大9000倍;

4、除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化石燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg,是汽油发热值的3倍;

5、氢燃料新能好、点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃料速度快;

6、氢本身无毒，与其它燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量的氮化氢外不会产生对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当的处理也不会污染环境，而且燃烧生成的水还可以继续之氢，反复循环使用;

6、氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发电机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转化为固体氢用作结构材料，用氢代替煤和石油，不需要对现有技术装备在中大改造，现在的内燃机稍加改动即可使用;

7、氢可以以气态、液体或固态的金属氧化物出现，能适应储运及各种应用环境的不同要求。

有以上特点可知，氢能源与其他能源相比有很大的优势，有关专家表示，利用氢能，将成为解决未来人类能源危机的终极方案。面对全球能源枯竭的严重挑战，氢能正成为世界各国研究的重点之一。氢能之所以还没有被广泛利用，主要是因为氢能技术还面临着许多困难和挑战：一是氢能制取成本高。如果从水中直接提起氢，需要用电解技术，成本太高，在经济上不具备竞争性;二是氢气储存和运输，存在技术和安全障碍;三氢能利用需要配套的基础设施，这些设施都需要大量资金投入。尽管氢能利用受到经济和技术约束，但从长远趋势看，氢能最终将成为人类社会的主流能源之一。

氢燃料电池发展中遇到的困难

1、氢气的制取

一般工业制氢方法有电解水、台烃的化石燃料中制氢、太阳能光电化学分解热化学制氢制氢、光和微生物制氢等多种方法，但是目前还没有一种价格低廉、无污染、制作工艺成熟、技术优良的工艺方法，这个也是我们技术攻关的方向和目标。

2、氢气的储存

一般的储存方法有常压储氢、高压储氢、液氢储氢[7]。金属氢化物储氢以及吸附储存，由于氢特别轻，无色无味，而凡容易泄漏、易在空气中达到爆炸极限浓度就会发生爆炸，所以氢的储存成为了制取之后又一个技术性难题。

3、氢的运输

氢虽然有良好的可运输性，但不论是气态氢或是液氢，他们在使用过程中都存在不可忽视的实际问题。首先，氢特别轻。在运输和使用时。单位能量所占的体积相对较大，这对作汽车动力有一定的挑战。其次，氢特别容易泄漏，即使是真空密封的燃料箱，每24小时的泄漏率就达2%，而汽油一般每一个月才泄漏1%，因此，对贮氢容器和输氖管道，接头，阀门等都要采取特殊的密封措施。第三，液氢的温度极低，只要有一滴滴在皮肤上，就会发生严重的冻伤.因此在运输和使用过程中必须十分谨慎。要特别注意采取各种安全措施。