燃料電池是如何將化學能轉化為電能的？燃料種類有哪些種類？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-26 20:34
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一、燃料電池介紹
燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池, 電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池的概念是1839年Grove GR提出的, 至今已有大約160年的歷史。
具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發(fā)電機”。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。最初，電解質板是利用電解質滲入多孔的板而形成，現(xiàn)在正發(fā)展為直接使用固體的電解質。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣，起作用的成分為氧氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。
利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，所以也可稱它為一種“發(fā)電機”。
二、燃料電池分類
燃料電池的種類相當多而且分類的方式也各有不同，常用的分類方式是按電解質性質不同加以區(qū)分，有堿性燃料電池(AFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)。五類燃料電池輸出功率范圍、發(fā)電效率、優(yōu)缺點、應用領域都不盡相同。
質子交換膜燃料電池是目前主流的燃料電池。從燃料電池各類技術產(chǎn)品出貨情況來看，2015年質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接甲烷燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池以及磷酸燃料電池出貨量占比分別為89.11%、7.54%、3.07%、0.14%和0.14%。從出貨系統(tǒng)容量占比情況來看，各類燃料電池出貨容量占比分別為52.44%、18.40%、0.06%、22.05%和7.00%。可見質子交換膜燃料電池無論是電池數(shù)量還是發(fā)電容量上看都是主流的燃料電池技術。
三、燃料電池汽車發(fā)展
Marai與普通電動車相比在性能上有很大的優(yōu)勢。續(xù)航距離約700km，足夠普通家庭日常使用一周以上，是普通電動車的四到五倍，并且隨著行駛里程的加長，在系統(tǒng)成本上相對于普通電動車也將占優(yōu)勢。此外，加氫時間僅需3分鐘，最低啟動溫度可在零下30度，行駛過程中不排放二氧化碳。
豐田原計劃2015年在日本國內銷售400輛、向海外出口300輛燃料電池汽車，主要銷往美國和歐洲。Marai發(fā)售后，在日本訂單超過3000輛，在美國約2000輛的訂單，遠超公司預期。為此豐田采取措施分階段提供Marai的產(chǎn)能，到2016年產(chǎn)能增至2000輛，2017年增至3000輛，并計劃2020年前全球范圍內銷售總量達到3萬輛。
目前，儲氫問題及加氫站數(shù)量不足成為燃料電池乘用車發(fā)展的阻礙。目前加氫站在北美、歐洲、日本、中國、韓國和澳大利亞雖有分布，但全球在運總數(shù)不足300座，加之加氫站建設的投資和周期較長，很難實現(xiàn)快速布局。目前各國政府大力支持積極推進加氫站建設，其中美洲增速最快，歐洲數(shù)量最多，亞洲也在積極布局中。
四、我國的氫燃料電池的發(fā)展
我國非常重視氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，《“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》《中國制造2025》都將氫燃料電池技術確定為重要的內容。在政策支持下，隨著相關技術發(fā)展，氫燃料電池商業(yè)化進程加快，氫燃料電池相關產(chǎn)業(yè)迅速崛起。
最早的企業(yè)是上海神力科技和新源動力，分別成立于1998年、2001年，是目前中國氫燃料電池技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的領先者。從2001年開始，我國企業(yè)數(shù)量開始大幅度增加，2016至今不到2年，增長近75%，氫燃料電池相關行業(yè)已經(jīng)進入了一個快速增長期。
江蘇地區(qū)氫燃料電池企業(yè)最多，有51家，占全國近1/4，其次是上海、北京、廣東、遼寧和浙江等地?？傮w來看，東部地區(qū)企業(yè)數(shù)量最多，發(fā)展最快。
國內氫燃料電池產(chǎn)業(yè)獲得了快速發(fā)展，特別是在汽車領域發(fā)展迅速，帶動了區(qū)域產(chǎn)業(yè)集群的形成，形成了京津冀、華東、華南（佛山-云?。?、華中（武漢）四個氫燃料電池產(chǎn)業(yè)集群，并圍繞當?shù)匮邪l(fā)情況及工業(yè)基礎形成了各自的產(chǎn)業(yè)配套及商業(yè)應用模式。
五、展望
全球范圍內多個主流車企對氫燃料電池如此熱衷，足以說明它的前景和影響力。就豐田在日本本土、美國等地大量普及加氫站看來，日系車企已經(jīng)打定主意要走氫燃料電池這條路。同時，英國、荷蘭等歐洲國家也表示將大力發(fā)展氫燃料電池汽車，英國更是計劃在2030年前達到160萬氫燃料電池車保有量，目標可見一斑。
此次人民日報著重提出要重點關注氫燃料電池汽車技術研究，顯然是預示著我國也將在氫能源領域發(fā)力。不過就目前來看，我國的氫燃料電池研究似乎落后于日韓。不過，相信在后續(xù)政策的推動下，希望我國的氫燃料電池汽車也會得到不錯的發(fā)展。國內也大力促進氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施的發(fā)展，而氫燃料電池汽車預計將在2020年示范應用，2030年大規(guī)模推廣，2050年實現(xiàn)普及;商用車也有望成為氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化突破點。
進階 從“Necar 2”到“超越一號”
“最初，燃料電池汽車產(chǎn)品大多為商用車，原因之一是燃料電池系統(tǒng)太大，普通乘用車空間有限。”余卓平告訴記者，但隨著技術的快速進步，燃料電池乘用車很快就問世了。
1996年，奔馳在柏林市波茨坦廣場展示了一款名為“Necar 2”的概念電動車。盡管因為變速器和傳感器還不太可靠，汽車在演示中數(shù)度拋錨，但汽車的發(fā)動機運轉卻相當平穩(wěn)，奔馳公司聲稱，“Necar 2”是世界上首輛由燃料電池驅動的電動轎車。
這一時期，世界各大汽車公司都投入大量的人力、財力競相研制和開發(fā)燃料電池汽車：如日本豐田打算開發(fā)以甲醇為原料，通過氫和氧的化學反應產(chǎn)生電能的燃料電動汽車;奔馳公司與歐寶公司則宣布其燃料電池汽車最遲將于2004年投放市場;大眾集團也表示正在加緊研制開發(fā)以氫為燃料的電池汽車，并打算在兩年內推出第一輛原型車，成為了繼奔馳和歐寶之后，第三個正式宣布要發(fā)展以氫為燃料的汽車企業(yè)。
我國燃料電池研究始于1958年，曾在20世紀70年代發(fā)展航天事業(yè)的推動下，燃料電池研究第一次快速發(fā)展，“九五”期間，科技部與中科院將燃料電池技術列入“科技攻關”計劃，電動汽車也被列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程中。“十五”期間，在“科技攻關”、“863”、“973”等國家計劃中，都安排了有關燃料電池技術的計劃和項目。
具體到燃料電池汽車領域，正如余卓平所言，我國起步并不晚。早在“九五”期間，東風汽車集團有限公司就聯(lián)合中科院大連化學物理研究所開發(fā)出了國內首臺30kW的燃料電池中巴客車;2003年，由我國自主開發(fā)的燃料電池動力汽車平臺“超越一號”，順利通過了科技部驗收。
在此平臺上開發(fā)的我國第一輛燃料電池轎車樣車采用的是“電-電”混合方案，即以燃料電池發(fā)動機為主要動力源，配以高功率的鋰離子電池，最大的好處是能回收汽車下坡和制動的能量。在制氫方面，與通用、奔馳等國外燃料電池轎車利用汽油或甲醇在車上重整制氫以及液氫等供氫方式不同，“超越一號”直接采用了壓縮氫的車載供氫方式，并提出利用上海鋼鐵、化工工業(yè)副產(chǎn)氣體制氫的思路。事實證明，這些技術路線后來逐步為國外汽車公司所采用。
2004年6月11日，“超越二號”駛出了實驗室，其全部采用“863”項目承擔單位自主研發(fā)的關鍵零部件;同年10月，“超越二號”參加了在上海舉辦的第六屆必比登清潔能源汽車挑戰(zhàn)賽;2006年6月11日，在法國巴黎舉行的第八屆必比登清潔能源汽車挑戰(zhàn)賽上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車“超越三號”順利通過全部比賽項目，取得4個“A”的好成績，在燃料電池汽車組拔得頭籌。
“在國家‘863’計劃中，我國新能源汽車的發(fā)展重點為：燃料電池汽車居首，第二為混合動力電動汽車，兼顧發(fā)展純電動汽車。”一位不愿具名的業(yè)內人士透露。
發(fā)展 大規(guī)模示范運營拉開序幕
2005年，在北京國際馬拉松賽上，由燃料電池發(fā)動機供應商上海神力科技和清華大學聯(lián)合開發(fā)的最新一代燃料電池大巴擔當后勤保障車，途經(jīng)天安門、阜成路、知春路、八達嶺高速路，最后到達國家奧林匹克體育中心，圓滿完成任務，用實踐檢驗了燃料電池大巴的實用性和可靠性。
2006年6月，3輛梅賽德斯-奔馳Citaro氫燃料電池公共汽車參與的中國燃料電池公共汽車商業(yè)化示范項目正式啟動，共歷時470余天，沒有出現(xiàn)安全事故，并獲得了大量有價值的運行數(shù)據(jù)。余卓平表示，雖然參與示范運營的車輛并非自主研發(fā)的產(chǎn)品，作為動力來源的氫氣也需要從山東運輸至北京，但當時讓北京市民第一次近距離接觸并了解了燃料電池汽車，為接下來的普及和推廣奠定了基礎。
值得一提的是，就在國內外大力發(fā)展燃料電池之際，一份由26位專家共同撰寫、于2007年3月遞交給國務院的題為《開發(fā)車用動力技術、盡快減輕交通能源壓力的建議》在2008年初曝光，認為現(xiàn)階段追求氫能源汽車跨越式發(fā)展存在巨大風險，應開發(fā)高效燃油動力技術，來盡快減少對進口石油的依賴，一時間引起了業(yè)內熱議。
事實上，在北京奧運會和上海世博會期間，我國自主研發(fā)的燃料電池汽車，已經(jīng)稱得上全球最高水平。余卓平指出，雖然當時燃料電池汽車的研發(fā)力度已經(jīng)開始有所減少，但稱之為“站在世界第一陣營”毫不為過。
據(jù)中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所衣寶廉介紹，我國自主研發(fā)的燃料電池汽車先后參與或服務過2007年的上海必比登挑戰(zhàn)賽、2008年北京奧運會、2009年美國加州的示范運營項目、2010年新加坡世青賽以及2010年的上海世博會。在2010年的上海世博會期間，共有196輛燃料電池汽車為會議提供服務，包括6輛客車、100輛觀光車以及90輛轎車，平均單車運行里程為4500～5000公里，最長的單車運行累計里程達到10191公里。“示范運營的規(guī)模不斷擴大，燃料電池汽車的技術也有了明顯進步。”在衣寶廉看來，經(jīng)過前期開展的一系列示范運營后，我國車用燃料電池與國際一流水平在性能上相對接近，但在成本和耐久性方面還有待提高。
沉寂 受歐美技術戰(zhàn)略影響
2009年，我國新能源汽車“十城千輛”示范推廣工程正式啟動;2010年，《私人購買新能源汽車試點財政補助資金管理暫行辦法》公布，雖然國家始終全面推行“三縱三橫”的新能源汽車發(fā)展技術路線，但此后純電動汽車異軍突起，燃料電池汽車逐漸趨于“沉寂”。
“用‘沉寂’來形容不恰當。”余卓平透露，受到歐美等跨國車企技術戰(zhàn)略調整的影響，我國也逐漸轉變研發(fā)重點，減少了對燃料電池汽車的研發(fā)投入，但多年來，在工信部和科技部等部門的支持下，我國燃料電池汽車的研發(fā)工作始終沒有間斷，無論是在乘用車領域，還是商用車，燃料電池汽車的技術水平都在逐年提升。
雖然彼時歐美和中國對燃料電池汽車的推進節(jié)奏有所減緩，但日本和韓國卻“一條道走到黑”，搶占了先機。韓國方面，2013年2月，世界上第一輛量產(chǎn)版氫燃料電池汽車——現(xiàn)代ix35 FCV在韓國下線;2014年4月，現(xiàn)代ix35氫燃料汽車在韓國本土開售，當時售價為1.5億韓元(當時約合人民幣85.5萬元);在2018年的CES(國際消費類電子產(chǎn)品展覽會)上，現(xiàn)代汽車集團發(fā)布了旗下的最新一代氫燃料電池汽車——NEXO。
日本方面，2014年12月，迄今為止全球銷量最高的氫燃料電池車豐田Mirai上市，從2015年秋季開始，銷售范圍擴大至美國和歐洲，豐田Mirai的年產(chǎn)量從2015年的700輛左右，增長至2016年的2000輛，再增加到2017年的約3000輛。相較之下，雖然本田早就在2007年洛杉磯車展上發(fā)布了燃料電池車FCX Clarity，并于2008年在美國面向個人用戶租賃，但Clarity直到2016年才正式面向市場銷售，新車售價為766萬日元起(當時約合人民幣43.8萬元)。
近兩年，由于能源和環(huán)境問題凸顯，美國、加拿大和德國等國均再次將燃料電池汽車的推廣提上了重要日程。據(jù)日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)氫能部統(tǒng)括研究員Eiji Ohira介紹，日本道路上行駛的氫燃料電池汽車總量約為2700輛，2017年的總加氫量達到了150噸，加氫站數(shù)量超過120座;韓國氫能促進局局長Jeahang Shin分享的數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年8月，韓國燃料電池汽車推廣數(shù)量已經(jīng)超過400輛，加氫站超過30座，此外還建有47個燃料電池發(fā)電站;在美國，雖然加氫站數(shù)量不及日本，大約為100座左右，但美國能源部燃料電池辦公室主任Sunita Satyapal指出，在美國道路上運營的氫燃料電池汽車數(shù)量已經(jīng)達到了5600輛，遠超其他國家。
與此同時，國內車企也開始加大在燃料電池汽車領域的布局和投資。2017年可稱為我國燃料電池汽車發(fā)展的元年，國內以商用車為主的燃料電池汽車市場規(guī)模首次突破了千輛，全年共計銷售1098輛。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2018年我國燃料電池汽車的銷量為1527輛，同比增長四成。
在發(fā)展氫燃料電池汽車方面，我國具備一定的先天優(yōu)勢和基礎，同時已經(jīng)積累了豐富新能源汽車研發(fā)和推廣經(jīng)驗，還具有“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢，余卓平表示，只要在氫能作為能源的戰(zhàn)略指引下，隨著制氫、儲氫、輸氫工業(yè)的快速發(fā)展，我國燃料電池汽車行業(yè)有望以最快的速度，重回全球汽車工業(yè)第一陣營。
