燃料电池

如何转换能量

水是由一个氧原子和两个氢原子组成的分子。将水分离成氧气和氢气需要能量，当它们重新组合成水时就会释放能量。燃料电池将氢气和氧气重新组合在一起，以电力的形式释放能量。

燃料（能源，通常是氢气）和空气（含有氧气）被放入燃料电池的两侧。在燃料电池的中间有一个"屏幕"，称为电解质，夹在两块金属板之间，称为电极，它使燃料和空气分开。不同种类的燃料电池的名称是基于用什么类型的屏幕来分离燃料和空气。屏风只允许特定的带电分子（也称为离子）通过。

为了产生离子，电子必须从系统的一侧输送到另一侧。电子被燃料侧的金属板从燃料中分离出来，需要到空气侧完成反应。因为滤网不让电子通过，所以电子要通过单独的导线，到空气侧的另一块金属板。电子的行进就会产生电流（电）。电线是可以使用电的地方。例如，可以将电线剪成两半，然后在两半之间连接一个灯泡。

同时，离子通过屏幕，并与另一边的分子（已经在另一边）和电子（通过电线旅行，放出能量，为电子器件供电）发生反应。水就形成了（根据燃料类型，偶尔也会有其他产物），它们通过排气管排出。

效益

燃料电池通过结合氧气和氢气来发电。效率非常高（约40%-70%）。如果在反应过程中使用废热，它们的最高效率为83%。此外，燃料电池可以使用各种燃料，例如，天然气、甲醇、LPG（液化石油气）、石脑油、煤油等。

特点

有些类型的燃料电池只产生水，这意味着没有污染。大多数类型的燃料电池比传统（"热能"）发电产生的废气要少得多。它们可以消耗与传统发电机相同的燃料类型，例如柴油发动机，但它们的效率是传统发电机的两倍，这意味着它们可以用一半的燃料产生相同数量的能量，从而至少减少一半的污染。此外，直接转换使用的燃料电池产生二次排放的风险较小，如氮氧化物、硫氧化物和颗粒物，这些都是燃烧的副作用，会导致全球变暖，被称为标准污染物。

燃料电池是非常安静的。它们没有移动的部件，除了一些风扇来移动空气，还有泵来移动水，这意味着它们很少需要维修，然而一些用于为建筑物等提供动力的大型燃料电池可能相当脆弱。

由于污染排放非常低，燃料电池经常被用于在建筑物内移动的车辆，比如叉车。因为它们非常安静，所以被用在一些军用潜艇上，以避免被发现。燃料的使用效率更高，这意味着燃料电池可以在不获取新燃料的情况下工作更长时间。这让它们可以在难以到达的地方使用，如气象站或研究站、太空船或军事基地。

由于宇宙飞船是用含有纯氢和纯氧的火箭发射的，所以飞船上的电力是用非常高效的燃料电池生产的，可以使用这些燃料。此外，宇宙飞船上的燃料电池在排气时产生纯水，这些纯水可以被进一步收集并作为宇航员的饮用水，这意味着绝对没有任何浪费。

燃料电池的类型

燃料电池可按内屏（电解质）的类型分类。例如，磷酸燃料电池是用于低温的。它用于需要大电流的手机和汽车电源，因为它更安全。碱性燃料电池通常含有氢氧化钾（KOH）。甲醇燃料电池是通过甲醇电化学反应来使用的。这种类型的燃料电池是比较好的选择，系统比较简单。但甲醇燃料电池的输出密度较低，因为其反应速度较慢。

一些重要的燃料电池类型有：

• 磷酸燃料电池(PAFC) - 磷酸燃料电池目前已投入商业使用。它们是最常见的热电联产燃料电池。
• 质子交换膜燃料电池(PEM)--这些燃料电池的工作温度相对较低(约175°F)，具有较高的功率密度，可以迅速改变其输出，以满足电力需求的变化，适合于需要快速启动的汽车等应用。所有的商用燃料电池汽车都使用这种类型的燃料电池。这种燃料电池的缺点是需要高纯度的氢气，生产成本高。
• 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）--这些燃料电池在非常高的温度下工作，使它们能够将更复杂的燃料（如天然气）转化为氢燃料，供电池本身使用。这些燃料电池的启动和关闭需要几个小时，因此它们只用于能够保持连续运行的应用，如大型建筑物/企业的固定电源。
• 微生物燃料电池（MFC）--一种利用呼吸微生物利用氧化还原反应将有机基质转化为电能的燃料电池。

应用

燃料电池有很多用途--各大汽车制造商都在努力将燃料电池汽车商业化。丰田和本田分别发布了Mirai和Clarity。燃料电池正在为巴士、船只、火车、飞机、摩托车、叉车和自行车提供动力。有燃料电池供电的自动售货机、吸尘器和高速公路路标。据预测，用于手机、笔记本电脑和便携式电子产品的微型燃料电池也将出现。医院、信用卡中心、警察局和银行使用燃料电池为其设施提供电力。污水处理厂和垃圾填埋场使用它们将产生的甲烷气体转化为电力。燃料电池早已被应用于外太空。电信公司在手机、无线电和911塔上使用燃料电池。