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​6种燃料电池及相关产业
2022年06月20日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:31
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伴随着各国发布禁燃油车时刻表,各家车企都陆续暂停或者放缓了内燃机的研发工作,开始走向纯电动车和燃料电池车的道路。纯电动(BEV)以其优越的性能和效率已经较低的使用成本,在低里程的场景有着极大的优势,但是在现阶段的复杂应用场景中,在低温、长里程、快速加燃料的场景中,需要燃料电池(FCV)来补充,同时储氢长期来讲是缓冲国家电网的重要途径。据中国氢能联盟预估,到2025年中国燃料电池产业产值将达1万亿元。

 

全球首部商业贩售的氢气燃料电池汽车-丰田Mira

近年来,中国氢燃料电池行业受到各级政府的高度重视和国家产业政策的重点支持。随着国家陆续出台多项政策,将鼓励氢燃料电池行业发展与创新,为氢燃料电池行业的发展提供了良好的政策保障,促进氢燃料电池快速发展。

我国2001年启动的863计划-电动车重大专项中就确定了三纵三横战略,其中三纵包括纯电动、混合电动、燃料电池汽车。2022年3月23日,国家发改委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》提出重点推进氢燃料电池中重型车辆应用,有序拓展氢燃料电池等新能源客、货汽车市场应用空间,逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式,促进氢燃料电池汽车行业发展。规划提到到2025年,基本掌握核心技术和制造工艺,燃料电池车辆保有量约5万辆;到2030年,形成较为完备的氢能产业技术创新体系;到2035年,形成氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。

一、燃料电池简介

燃料电池乍看与一般电池相似,也有正负极和电解质等电池主要部件,但细看发现与一般电池不同之处在于其正负极本身并无活性物质,负极(燃料电极)和正极(氧化剂电极)只是进行电极反应的催化转换载体,它一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气等燃料作为负极,用空气中的氧作为正极。以氢氧燃料电池为例,当电池工作时,反应物燃料氢(H2)和氧化剂氧(O2)分别由外部供给进行反应,原则上只要将这些反应物氢(H2)和氧(O2)不断输入,反应产物水(H2O)不断排除,燃料电池就能源源不断地输出电来。燃料电池通过燃料的电化学反应直接产生电能,相当于一个小型发电装置(主要包括双极板、电解质、扩散层、催化剂),所以,燃料电池更象是一个“发电厂”,也可以认为是一种持续的“一次电池”。

根据电解质和燃料的不同,燃料电池分为六类:质子交换膜燃料电池(PEMFC,采用极薄的塑料膜作为电解质)、直接甲醇燃料电池(DMFC,属于质子交换膜燃料电池中的一类。直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源。而不需要通过甲醇,汽油和天然气的重整以供发电)、固体氧化物燃料电池(SOFC,采用固体氧化物陶瓷作为电解质)、碱性燃料电池(AFC,采用氢氧化钾溶液作为电解液)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC,采用熔融碳酸盐作为其电解质)、磷酸燃料电池(PAFC,采用200摄氏度高温下的液体磷酸作为其电解质)。虽然燃料电池技术已日趋成熟完善,各国政府也从政策上大力支持,但燃料电池技术产业化仍然面临一系列挑战,下文一起来盘点一下不用类型的燃料电池特点及应用。

二、燃料电池类型及特点

1、质子交换膜燃料电池(PEMFC)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用可传导离子的聚合膜(极薄的塑料膜)作为电解质,所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、同体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。

PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作为电解质、铂作为催化剂,是当前燃料电动汽车和物料搬运车的首选技术路线。相较其它技术路线,其特点为运行温度相对较低(一般低于100℃),同时可以根据需要灵活调整电堆输出功率。但因相对低的启动温度并采用贵金属基电极,这类电池必须使用高纯度的氢。为克服高纯度氢气需求限制,目前PEMFC出现高温型技术路线,其原理为将水基电解质变成无机酸基电解质,该类电池运行温度可以高达200℃,对氢气的纯度要求较低,但又有能量密度较低的弊端。

2、直接甲醇燃料电池(DMFC)

直接甲醇燃料电池DMFC是相对较新的技术,由美国NASA和喷气式推进实验室在90年代发现。与PEMFC电池一样需要使用聚合物膜作为电解质,不同点为其采用铂-钌催化剂,燃料可以是氢也可以是液态甲醇,因此被称作直接甲醇燃料电池。甲醇具有相对高的能量密度,很容易运输和存储。基于其运行温度60~130℃,效率60%左右,直接甲醇燃料电池主要应用方向为电子产品、移动充电宝、物料搬运车等领域。

3、固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池SOFC采用固体陶瓷作为电解质(例如氧化锆-氧化钇,当然,这不是唯一的选项。更多请看相关相关阅读:固体氧化物燃料电池—电解质大盘点),运行温度非常高,最高运行温度高达800-1000℃,对铂催化剂依赖较小,可采用多种碳氢化合物燃料(甲烷、煤气等)。其能量转换效率超过60%,如果放出的热量能够被回收利用,转化率则可高达80%。但受限于启动时间长,很难应用于汽车领域。

固体燃料电池在大型、小型固定式热电联产发电站中应用较多,例如Bloom的100kW离网发电站。此外,输出功率kW级的管状固体燃料电池还成功应用在便携式充电装置领域。

4、碱性燃料电池(AFC)

碱性燃料电池(AFC)由英国发明家法兰西斯·汤玛士·培根(FrancisThomasBacon)所发明,以碳为电极,并使用氢氧化钾为电解质,要求高纯度氢,操作温度约为摄氏100~250度(最新的碱性燃料电池操作温度约为摄氏23~70度)。NASA早在1960年时便开始将它运用在穿梭机的发射及人工卫星上,包括著名的阿波罗计划也使用这种燃料电池。AFC的电能转换效率为所有燃料电池中最高的,最高可达70%,其优点是可采用非贵金属作为催化剂(镍最常见)。

由于碱性燃料电池是以氢氧化钾作为电解质,因此若由进气口中进入电池的气体中含有二氧化碳,氢氧化钾会与二氧化碳反应形成碳酸钾,碳酸钾则会堵住碳电极上的孔,氢气或氧气无法与电解质接触,会严重影响发电效率。

5、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是在600°C及以上温度下运行的高温燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)开发用于天然气、沼气(由厌氧消化或生物质气化产生)和用于电力、工业和军事应用的煤基发电厂。MCFC是高温燃料电池,其电解质由悬浮在多孔、化学惰性的β-氧化铝陶瓷基质中的熔融碳酸盐混合物(包括碳酸锂、碳酸钾及碳酸锂)组成。由于它们在600°C及以上的极高温度下工作,因此非贵重金属可以用作阳极和阴极催化剂,从而降低成本。

提高效率是MCFC比磷酸燃料电池(PAFC)显着降低成本的另一个原因。熔融碳酸盐燃料电池的效率可以达到接近60%,大大高于磷酸燃料电池工厂37-42%的效率。当余热被捕获和使用时,整体燃料效率可高达85%。与碱性、磷酸和聚合物电解质膜燃料电池不同,MCFC不需要外部重整器将燃料转化为氢气,利用MCFC运行时的高温,这些燃料可以在燃料电池内转化为氢气,大大也降低了成本。

MCFC技术的主要缺点是耐用性。这些电池运行的高温和使用的腐蚀性电解质会加速组件的损坏和腐蚀,从而缩短电池寿命。科学家们目前正在探索用于组件的耐腐蚀材料以及优化燃料电池设计,以提高电池使用寿命。

6、磷酸燃料电池(PAFC)

作为2001年之前的主流燃料电池技术,PAFC采用磷酸或磷酸基电解质,能有效减少铂催化剂(运行温度180℃左右)中毒,但发电效率较低,当热电联产时效率可达80%。主要应用在功率100~400kW的固定式发电站中,也有少量应用在大型汽车中。

 

 

参考来源:

1、燃料电池产业发展现状及趋势分析;冯丹,董仕宝,宗营,(解放军空军勤务学院)


粉体圈编辑:Alpha

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