圖1燃料電池工作原理示意圖

3分類

燃料電池按照不同的標準可以劃分為不同的類別:如按照電池的運行機理可劃分為酸性燃料電池和堿性燃料電池;按照電解質的種類可分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC);按照燃料類型可劃分氫氣、甲醇、甲烷、乙烷等燃料電池;按照工作溫度可劃分為低溫型、中溫型和高溫型燃料電池;按照結構類型可分為管狀、平板型和單片型燃料電池等。

表1燃料電池按不同的方法分類
表1燃料電池按不同的方法分類

4 劃分標準類別

按運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

按電解質種類分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)

按燃料類型分為氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等燃料電池

按工作溫度分為低溫型(溫度低于200℃)、中溫型(溫度為200~750℃)、高溫型(溫度高于750℃)燃料電池

按結構類型分為管狀燃料電池、平板型燃料電池和單片型燃料電池等

不同種類燃料電池之間的特性不同。常溫下工作的燃料電池,如受車用動力青睞的質子交換膜燃料電池(PEMFC),這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能,只產生少量的廢熱和水,不產生污染大氣環境的氮氧化物,不需要廢熱能量回收裝置,體積較小,質量較輕。但催化劑鉑(Pt)會與工作介質中的一氧化碳(CO)發生作用后產生“中毒”現象而失效,使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑(Pt)的價格很高,增加了燃料電池的成本。

在高溫(600~1000℃)下工作的燃料電池,如熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC),這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高,需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱,體積大,質量重,只適合用于大功率的發電廠中。

5 主要特性

傳統能源利用方式主要有兩大弊病:一是儲存于燃料中的化學能必需首先轉變成熱能后才能被轉變成機械能或電能,受卡諾循環及現代材料的限制,在機端所獲得的效率一半以上被浪費;二是傳統的能源利用方式給今天人類的生活環境造成了巨量廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。

多年來人們一直在努力尋找既有較高的能源利用效率又不污染環境的能源利用方式,而燃料電池就是比較理想的發電技術。燃料電池十分復雜,涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等眾多學科相關理論,具有發電效率高、環境污染少等優點。

表2燃料電池主要特性


表2燃料電池主要特性
表2燃料電池主要特性

6 燃料電池發展瓶頸

燃料電池與其他動力相比雖然有許多優點,但是也面臨成本過大、造價偏高的問題。例如車用質子交換膜燃料電池成本中貴金屬催化劑約占40%,質子交換膜約占35%,這兩者的造價都很昂貴。另外,燃料電池的啟動速度與內燃機引擎還有差距,燃料電池的反應性和穩定性二者存在不可兼得的矛盾。同時燃料電池的碳氫燃料目前還無法直接利用,除甲烷外均須經轉化器處理產生純氫才可以應用。此外,儲氫技術的制約和加氫充氣站基礎建設的不足也極大地制約了燃料電池的推廣。

總而言之,燃料電池在以下幾個方面有待突破。

燃料電池使用成本:(1)燃料電池使用貴金屬鉑作為催化,且鉑極易因一氧化碳中毒喪失活性;(2)氫氣制取成本高,每公斤氫氣價格為汽油的數倍,儲運難度大,氫氣儲運成本高;(3)燃料電池的穩定性、壽命、復雜路況下的性能衰減,維護費用較高。

加氫網絡:氫氣常溫常壓下是易燃易爆的氣體,且很難液化。氣體狀態下,能量密度低(680個大氣壓下的氫氣氣體,能量密度僅為一加侖汽油液體的14%)。氫能基礎設施落后,短時間內難以組成一個像加油站一樣的網絡。

7 結語

通過對比不同類型電池性能和應用后,賽迪顧問認為雖然目前鉛酸、鎳氫電池在動力電池領域占據主導地位,但由于污染性和續航能力等問題,傳統的鉛酸、鎳氫電池將逐漸被淘汰。隨著鋰電池技術的不斷成熟,制造成本和安全性能的逐漸提高,鋰離子電池在未來五到十年內將是動力電池發展的主流方向。

但是,鋰離子電池存在下游原料供應短缺、電池安全穩定性差等方面問題。而燃料電池是一種純正的綠色清潔能源,可減輕溫室效應使全球氣候變暖,符合當前低碳經濟的需要,同時氫氣等燃料供給來源途徑廣闊,燃料電池具有很大的發展潛力。如果燃料電池在技術上有突破的話,燃料電池將有很大的發展空間。

表3燃料電池與其他動力電池比較
表3燃料電池與其他動力電池比較

預計到本世記20代,燃料電池技術的成熟將對鋰離子電池行業造成一定的沖擊,而且這種技術突破在政府政策和投入支持背景下也可能比市場預期來得要早,燃料電池的商業化進程可能會加速,因此,燃料電池目前正受到企業尤其是各國政府的重視,具備較高的投資價值。賽迪顧問認為未來燃料電池行業發展在于關鍵技術和加氫網絡等瓶頸的突破,投資重點在于燃料電池單體核心及成本占用較高的關鍵材料上,重點關注掌握核心技術和具備資金實力的燃料電池企業和研究機構。

 
燃料電池 電池容量 軟料電池分類
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