你了解燃料電池嗎？詳解燃料電池主要種類及應(yīng)用場(chǎng)景
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-12 12:13
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一、燃料電池分類及優(yōu)劣勢(shì)比較
按照電解質(zhì)不同，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）及固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）。
質(zhì)子交換膜燃料電池。也稱聚合物電解質(zhì)膜或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜。在80℃的溫度下即可工作，在嚴(yán)寒條件下亦能迅速啟動(dòng)。其電力密度高，其體積相對(duì)較小，同時(shí)工作效率高，并且能快速地根據(jù)用電需求而改變其輸出。但這類燃料電池對(duì)膜材料要求較高，增加了制造成本，此外，該類電池需要采用貴金屬作為催化劑，鉑價(jià)格較高，增加了電池成本，且催化劑與工作介質(zhì)中的一氧化碳發(fā)生作用后發(fā)生“中毒”而失效，會(huì)降低工作效率或完全損壞。
堿性燃料電池。該電池的結(jié)構(gòu)與質(zhì)子交換膜燃料電池類似，其電解液為水溶液或氫氧化鉀基質(zhì)。工作溫度較低，約為80℃，因此啟動(dòng)較快，但能量密度較低，僅為質(zhì)子交換膜的十分之一。堿性燃料電池生產(chǎn)成本低，催化劑對(duì)一氧化碳等雜志也較敏感。可用于固定發(fā)電裝置，在航天飛機(jī)上也有所使用，提供動(dòng)力和水。
磷酸燃料電池。該類電池的電解質(zhì)為液體磷酸，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作穩(wěn)定較高，約150℃-200℃，但亦需電極上的白金催化劑加速反映。由于溫度高，其反映速度更快，對(duì)雜質(zhì)的耐受性也更強(qiáng)。磷酸燃料電池效率較低，約為40%，加熱時(shí)間更長(zhǎng)。該類電池可用為醫(yī)院、學(xué)校、小型電站等提供動(dòng)力。
熔化的碳酸鹽燃料電池。這類電池原理為溫度加熱到650℃時(shí)，鹽會(huì)產(chǎn)生熔化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽(yáng)極，與氫結(jié)合生成水、二氧化碳和電子。這種電池工作的高溫能夠在內(nèi)部重塑天然氣和石油等碳?xì)浠衔?，在?nèi)部生成氫。此外，該類電池的催化劑可由鎳替代，產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。但正是因?yàn)楦邷?，電池需要較長(zhǎng)時(shí)間才可達(dá)到工作溫度，且在交通運(yùn)輸和家庭發(fā)電方面均不太安全，對(duì)大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機(jī)更為適用。
固態(tài)氧化物燃料電池。該類電池的電解質(zhì)為固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，工作溫度更高，800~1000℃之間。這類電池能夠抵御外界一氧化碳、硫等雜質(zhì)的污染，也可以直接使用石油或天然氣實(shí)現(xiàn)發(fā)電。因使用的是固態(tài)電解質(zhì)，這類電池比熔化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，也更安全，但用來(lái)承受其高溫的建造材料也更昂貴。
1、電解質(zhì)價(jià)廉，使用酸性的電解液；
2、能直接使用烴類化合物轉(zhuǎn)換的含有CO2的富氫氣體作為燃料；
3、技術(shù)成熟可靠性高，電力密度大，長(zhǎng)期運(yùn)行性能好；
1、陰極性能得到改善； 2、可以不使用貴金屬作為催化劑；
3、材料成本低，電解質(zhì)成本非常低廉；
1、燃料適應(yīng)性廣； 2、采用非貴金屬作為催化劑；
3、啟動(dòng)速度快；
1、燃料適應(yīng)性廣； 2、采用非貴金屬作為催化劑 3、高品位余熱可用于熱電聯(lián)供；
4、較高的功率密度；
1、燃料適應(yīng)性廣
2、固態(tài)電解質(zhì)更安全；
3、高品位余熱可用于熱電聯(lián)供；
4、較高的功率度；
5、對(duì)硫抗耐；
缺點(diǎn)
1、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)； 2、鉑催化劑昂貴； 3、對(duì)CO和S中毒敏感 ；
4、電解質(zhì)是有腐蝕性的液體，運(yùn)行時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)充電解質(zhì)；
1、必須使用純的H2和O2；
2、需周期性地更換KOH電解質(zhì)；
3、必須從陽(yáng)極及時(shí)除水；
4、電解質(zhì)容易CO2中毒；
1、CO2必須再循環(huán)；
2、熔融碳酸鹽電解質(zhì)有腐蝕性 3、退化/壽命問(wèn)題； 4、材料昂貴；
1、材料在高溫下運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題； 2、密封問(wèn)題； 3、電池部件制造成本高；
1、工作溫度高、啟動(dòng)慢；
2、制造材料成本高；
二、氫能優(yōu)勢(shì)
原料來(lái)源廣。燃料電池燃燒的燃料主要是氫氣，而水中富含大量的氫元素，可以作為氫氣的重要來(lái)源。此外，化石燃料，如煤炭、天然氣、石油等也富含豐富的氫元素，也可作為氫氣的來(lái)源。
能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%~60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%。
適用范圍廣。規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建筑設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池既適用于城市大型發(fā)電站，也可作為醫(yī)院、商店、集體宿舍、邊遠(yuǎn)山區(qū)的小型發(fā)電裝置，以及日常和國(guó)防用于行走機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)。
環(huán)境保護(hù)性，“碳”值低。從煤炭到石油、再?gòu)氖偷教烊粴?，清潔能源的革命均是以脫碳為目?biāo)。而H2作為燃料的燃料電池，其工作時(shí)僅有水排出，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何副產(chǎn)品，是非常環(huán)保的供能系統(tǒng)。若以其他烴類化合物作為燃料，通過(guò)燃料電池系統(tǒng)釋放出來(lái)的污染物比直接燃燒要降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，亦可有效的保護(hù)環(huán)境。
能量密度高。與木柴、煤炭、汽油、天然氣和鋰電池等傳統(tǒng)供能燃料或系統(tǒng)相比，氫氣的能量密度非常高。同等質(zhì)量下，氫氣是煤熱值的4.7倍，是石油天然氣的3.3倍，更是三元鋰電池蓄能的100多倍。
表3各類燃料能量密度比較
燃料（儲(chǔ)能）類型
能量密度（MJ/Kg）
三、主要應(yīng)用領(lǐng)域
機(jī)動(dòng)車上的應(yīng)用。燃料電池汽車的用戶使用習(xí)慣與傳統(tǒng)燃油汽車用戶使用習(xí)慣類似。傳統(tǒng)燃油汽車的氣體排放成為空氣中的主要污染物之一，與此同時(shí)，部分國(guó)家地區(qū)由于汽車保有量的持續(xù)上升給石油需求帶來(lái)巨大壓力。新能源汽車已應(yīng)運(yùn)而生，燃料電池汽車則因其具有續(xù)航里程高、加氫時(shí)間短、動(dòng)力性能好等多項(xiàng)特點(diǎn)成為替代傳統(tǒng)燃油汽車的產(chǎn)品。
軍事上的應(yīng)用。燃料電池使用時(shí)間長(zhǎng)，以及寧?kù)o的工作特點(diǎn)極適合于軍事工作對(duì)電力的需要。在軍事上，微型燃料電池要比普通的電池具有更高的能量密度和更強(qiáng)的優(yōu)越性，在進(jìn)行下一次燃料補(bǔ)給之前，車輛可以行使地更遠(yuǎn)，或在遙遠(yuǎn)的地區(qū)活動(dòng)更長(zhǎng)的時(shí)間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。
空間領(lǐng)域的應(yīng)用。在20世紀(jì)50年代后期和60年代初期，美國(guó)政府為了替其載人航天飛行尋找可靠的能源，對(duì)燃料電池的研究給予了極大的關(guān)心和資助，使燃料電池取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無(wú)震動(dòng)，并能生產(chǎn)飲用水，所有這些優(yōu)點(diǎn)均是其它能源不可比擬的。
發(fā)電廠的應(yīng)用。目前全球范圍內(nèi)，燃料電池開發(fā)的最完善是固定發(fā)電站。燃料電池技術(shù)的獨(dú)立性、高能效對(duì)于那些國(guó)家電網(wǎng)不能覆蓋，或國(guó)家電網(wǎng)不夠穩(wěn)定而需要備用電力設(shè)備的地區(qū)而言，具有特殊的意義。
移動(dòng)裝置上的應(yīng)用。微型燃料電池因其具有使用壽命長(zhǎng)，重量輕和補(bǔ)充燃料方便等優(yōu)點(diǎn)，比常規(guī)電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)上已有燃料電池的應(yīng)用。目前美國(guó)、德國(guó)等國(guó)也依舊在研究該類便攜式燃料電池產(chǎn)品。
家庭供能的應(yīng)用。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池可以滿足私人居住和小型企業(yè)的所有熱電需求。這些燃料電池應(yīng)該能夠?yàn)閱蝹€(gè)私人居戶或幾家居戶提供能源。
四、產(chǎn)業(yè)演進(jìn)
燃料電池的發(fā)展最早可追溯到上世紀(jì)50年代，至今已發(fā)展了近90年?？v觀燃料電池發(fā)展史，可分為幾段重要時(shí)期。
階段一：1950年~1990年；不計(jì)成本的技術(shù)探索期，在航天、軍事領(lǐng)域等有所應(yīng)用；
階段二：1990年~2000年；技術(shù)快速飛躍、成本快速下降，參與研發(fā)和生產(chǎn)的國(guó)家和相關(guān)企業(yè)數(shù)量增長(zhǎng)，燃料電池在汽車、發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步實(shí)現(xiàn)；
階段三：2000年~2010年：燃料電池性能進(jìn)一步提升，專利申請(qǐng)活躍度高；全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)通過(guò)制定規(guī)劃、投入資金等方式支持燃料電池發(fā)展；汽車等應(yīng)用領(lǐng)域接近商業(yè)化水平；
階段四：2010年至今：燃料電池性能和成本已可滿足商業(yè)化應(yīng)用，部分企業(yè)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)；多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開始重視燃料電池技術(shù)發(fā)展，持續(xù)發(fā)布政策支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
