燃料电池是如何将化学能转化为电能的？燃料种类有哪些种类？
来源：宝鄂实业
2019-04-26 20:34
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一、燃料电池介绍
燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池, 电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年Grove GR提出的, 至今已有大约160年的历史。
具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。
利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种“发电机”。
二、燃料电池分类
燃料电池的种类相当多而且分类的方式也各有不同，常用的分类方式是按电解质性质不同加以区分，有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)。五类燃料电池输出功率范围、发电效率、优缺点、应用领域都不尽相同。
质子交换膜燃料电池是目前主流的燃料电池。从燃料电池各类技术产品出货情况来看，2015年质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲烷燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及磷酸燃料电池出货量占比分别为89.11%、7.54%、3.07%、0.14%和0.14%。从出货系统容量占比情况来看，各类燃料电池出货容量占比分别为52.44%、18.40%、0.06%、22.05%和7.00%。可见质子交换膜燃料电池无论是电池数量还是发电容量上看都是主流的燃料电池技术。
三、燃料电池汽车发展
Marai与普通电动车相比在性能上有很大的优势。续航距离约700km，足够普通家庭日常使用一周以上，是普通电动车的四到五倍，并且随着行驶里程的加长，在系统成本上相对于普通电动车也将占优势。此外，加氢时间仅需3分钟，最低启动温度可在零下30度，行驶过程中不排放二氧化碳。
丰田原计划2015年在日本国内销售400辆、向海外出口300辆燃料电池汽车，主要销往美国和欧洲。Marai发售后，在日本订单超过3000辆，在美国约2000辆的订单，远超公司预期。为此丰田采取措施分阶段提供Marai的产能，到2016年产能增至2000辆，2017年增至3000辆，并计划2020年前全球范围内销售总量达到3万辆。
目前，储氢问题及加氢站数量不足成为燃料电池乘用车发展的阻碍。目前加氢站在北美、欧洲、日本、中国、韩国和澳大利亚虽有分布，但全球在运总数不足300座，加之加氢站建设的投资和周期较长，很难实现快速布局。目前各国政府大力支持积极推进加氢站建设，其中美洲增速最快，欧洲数量最多，亚洲也在积极布局中。
四、我国的氢燃料电池的发展
我国非常重视氢燃料电池产业的发展，《“十三五”战略性新兴产业发展规划》《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》《中国制造2025》都将氢燃料电池技术确定为重要的内容。在政策支持下，随着相关技术发展，氢燃料电池商业化进程加快，氢燃料电池相关产业迅速崛起。
最早的企业是上海神力科技和新源动力，分别成立于1998年、2001年，是目前中国氢燃料电池技术研发和产业化的领先者。从2001年开始，我国企业数量开始大幅度增加，2016至今不到2年，增长近75%，氢燃料电池相关行业已经进入了一个快速增长期。
江苏地区氢燃料电池企业最多，有51家，占全国近1/4，其次是上海、北京、广东、辽宁和浙江等地。总体来看，东部地区企业数量最多，发展最快。
国内氢燃料电池产业获得了快速发展，特别是在汽车领域发展迅速，带动了区域产业集群的形成，形成了京津冀、华东、华南（佛山-云浮）、华中（武汉）四个氢燃料电池产业集群，并围绕当地研发情况及工业基础形成了各自的产业配套及商业应用模式。
五、展望
全球范围内多个主流车企对氢燃料电池如此热衷，足以说明它的前景和影响力。就丰田在日本本土、美国等地大量普及加氢站看来，日系车企已经打定主意要走氢燃料电池这条路。同时，英国、荷兰等欧洲国家也表示将大力发展氢燃料电池汽车，英国更是计划在2030年前达到160万氢燃料电池车保有量，目标可见一斑。
此次人民日报着重提出要重点关注氢燃料电池汽车技术研究，显然是预示着我国也将在氢能源领域发力。不过就目前来看，我国的氢燃料电池研究似乎落后于日韩。不过，相信在后续政策的推动下，希望我国的氢燃料电池汽车也会得到不错的发展。国内也大力促进氢能产业基础设施的发展，而氢燃料电池汽车预计将在2020年示范应用，2030年大规模推广，2050年实现普及;商用车也有望成为氢燃料电池汽车产业化突破点。
进阶 从“Necar 2”到“超越一号”
“最初，燃料电池汽车产品大多为商用车，原因之一是燃料电池系统太大，普通乘用车空间有限。”余卓平告诉记者，但随着技术的快速进步，燃料电池乘用车很快就问世了。
1996年，奔驰在柏林市波茨坦广场展示了一款名为“Necar 2”的概念电动车。尽管因为变速器和传感器还不太可靠，汽车在演示中数度抛锚，但汽车的发动机运转却相当平稳，奔驰公司声称，“Necar 2”是世界上首辆由燃料电池驱动的电动轿车。
这一时期，世界各大汽车公司都投入大量的人力、财力竞相研制和开发燃料电池汽车：如日本丰田打算开发以甲醇为原料，通过氢和氧的化学反应产生电能的燃料电动汽车;奔驰公司与欧宝公司则宣布其燃料电池汽车最迟将于2004年投放市场;大众集团也表示正在加紧研制开发以氢为燃料的电池汽车，并打算在两年内推出第一辆原型车，成为了继奔驰和欧宝之后，第三个正式宣布要发展以氢为燃料的汽车企业。
我国燃料电池研究始于1958年，曾在20世纪70年代发展航天事业的推动下，燃料电池研究第一次快速发展，“九五”期间，科技部与中科院将燃料电池技术列入“科技攻关”计划，电动汽车也被列入国家重大科技产业工程中。“十五”期间，在“科技攻关”、“863”、“973”等国家计划中，都安排了有关燃料电池技术的计划和项目。
具体到燃料电池汽车领域，正如余卓平所言，我国起步并不晚。早在“九五”期间，东风汽车集团有限公司就联合中科院大连化学物理研究所开发出了国内首台30kW的燃料电池中巴客车;2003年，由我国自主开发的燃料电池动力汽车平台“超越一号”，顺利通过了科技部验收。
在此平台上开发的我国第一辆燃料电池轿车样车采用的是“电-电”混合方案，即以燃料电池发动机为主要动力源，配以高功率的锂离子电池，最大的好处是能回收汽车下坡和制动的能量。在制氢方面，与通用、奔驰等国外燃料电池轿车利用汽油或甲醇在车上重整制氢以及液氢等供氢方式不同，“超越一号”直接采用了压缩氢的车载供氢方式，并提出利用上海钢铁、化工工业副产气体制氢的思路。事实证明，这些技术路线后来逐步为国外汽车公司所采用。
2004年6月11日，“超越二号”驶出了实验室，其全部采用“863”项目承担单位自主研发的关键零部件;同年10月，“超越二号”参加了在上海举办的第六届必比登清洁能源汽车挑战赛;2006年6月11日，在法国巴黎举行的第八届必比登清洁能源汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车“超越三号”顺利通过全部比赛项目，取得4个“A”的好成绩，在燃料电池汽车组拔得头筹。
“在国家‘863’计划中，我国新能源汽车的发展重点为：燃料电池汽车居首，第二为混合动力电动汽车，兼顾发展纯电动汽车。”一位不愿具名的业内人士透露。
发展 大规模示范运营拉开序幕
2005年，在北京国际马拉松赛上，由燃料电池发动机供应商上海神力科技和清华大学联合开发的最新一代燃料电池大巴担当后勤保障车，途经天安门、阜成路、知春路、八达岭高速路，最后到达国家奥林匹克体育中心，圆满完成任务，用实践检验了燃料电池大巴的实用性和可靠性。
2006年6月，3辆梅赛德斯-奔驰Citaro氢燃料电池公共汽车参与的中国燃料电池公共汽车商业化示范项目正式启动，共历时470余天，没有出现安全事故，并获得了大量有价值的运行数据。余卓平表示，虽然参与示范运营的车辆并非自主研发的产品，作为动力来源的氢气也需要从山东运输至北京，但当时让北京市民第一次近距离接触并了解了燃料电池汽车，为接下来的普及和推广奠定了基础。
值得一提的是，就在国内外大力发展燃料电池之际，一份由26位专家共同撰写、于2007年3月递交给国务院的题为《开发车用动力技术、尽快减轻交通能源压力的建议》在2008年初曝光，认为现阶段追求氢能源汽车跨越式发展存在巨大风险，应开发高效燃油动力技术，来尽快减少对进口石油的依赖，一时间引起了业内热议。
事实上，在北京奥运会和上海世博会期间，我国自主研发的燃料电池汽车，已经称得上全球最高水平。余卓平指出，虽然当时燃料电池汽车的研发力度已经开始有所减少，但称之为“站在世界第一阵营”毫不为过。
据中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所衣宝廉介绍，我国自主研发的燃料电池汽车先后参与或服务过2007年的上海必比登挑战赛、2008年北京奥运会、2009年美国加州的示范运营项目、2010年新加坡世青赛以及2010年的上海世博会。在2010年的上海世博会期间，共有196辆燃料电池汽车为会议提供服务，包括6辆客车、100辆观光车以及90辆轿车，平均单车运行里程为4500～5000公里，最长的单车运行累计里程达到10191公里。“示范运营的规模不断扩大，燃料电池汽车的技术也有了明显进步。”在衣宝廉看来，经过前期开展的一系列示范运营后，我国车用燃料电池与国际一流水平在性能上相对接近，但在成本和耐久性方面还有待提高。
沉寂 受欧美技术战略影响
2009年，我国新能源汽车“十城千辆”示范推广工程正式启动;2010年，《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》公布，虽然国家始终全面推行“三纵三横”的新能源汽车发展技术路线，但此后纯电动汽车异军突起，燃料电池汽车逐渐趋于“沉寂”。
“用‘沉寂’来形容不恰当。”余卓平透露，受到欧美等跨国车企技术战略调整的影响，我国也逐渐转变研发重点，减少了对燃料电池汽车的研发投入，但多年来，在工信部和科技部等部门的支持下，我国燃料电池汽车的研发工作始终没有间断，无论是在乘用车领域，还是商用车，燃料电池汽车的技术水平都在逐年提升。
虽然彼时欧美和中国对燃料电池汽车的推进节奏有所减缓，但日本和韩国却“一条道走到黑”，抢占了先机。韩国方面，2013年2月，世界上第一辆量产版氢燃料电池汽车——现代ix35 FCV在韩国下线;2014年4月，现代ix35氢燃料汽车在韩国本土开售，当时售价为1.5亿韩元(当时约合人民币85.5万元);在2018年的CES(国际消费类电子产品展览会)上，现代汽车集团发布了旗下的最新一代氢燃料电池汽车——NEXO。
日本方面，2014年12月，迄今为止全球销量最高的氢燃料电池车丰田Mirai上市，从2015年秋季开始，销售范围扩大至美国和欧洲，丰田Mirai的年产量从2015年的700辆左右，增长至2016年的2000辆，再增加到2017年的约3000辆。相较之下，虽然本田早就在2007年洛杉矶车展上发布了燃料电池车FCX Clarity，并于2008年在美国面向个人用户租赁，但Clarity直到2016年才正式面向市场销售，新车售价为766万日元起(当时约合人民币43.8万元)。
近两年，由于能源和环境问题凸显，美国、加拿大和德国等国均再次将燃料电池汽车的推广提上了重要日程。据日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)氢能部统括研究员Eiji Ohira介绍，日本道路上行驶的氢燃料电池汽车总量约为2700辆，2017年的总加氢量达到了150吨，加氢站数量超过120座;韩国氢能促进局局长Jeahang Shin分享的数据显示，截止到2018年8月，韩国燃料电池汽车推广数量已经超过400辆，加氢站超过30座，此外还建有47个燃料电池发电站;在美国，虽然加氢站数量不及日本，大约为100座左右，但美国能源部燃料电池办公室主任Sunita Satyapal指出，在美国道路上运营的氢燃料电池汽车数量已经达到了5600辆，远超其他国家。
与此同时，国内车企也开始加大在燃料电池汽车领域的布局和投资。2017年可称为我国燃料电池汽车发展的元年，国内以商用车为主的燃料电池汽车市场规模首次突破了千辆，全年共计销售1098辆。据中国汽车工业协会统计，2018年我国燃料电池汽车的销量为1527辆，同比增长四成。
在发展氢燃料电池汽车方面，我国具备一定的先天优势和基础，同时已经积累了丰富新能源汽车研发和推广经验，还具有“集中力量办大事”的体制优势，余卓平表示，只要在氢能作为能源的战略指引下，随着制氢、储氢、输氢工业的快速发展，我国燃料电池汽车行业有望以最快的速度，重回全球汽车工业第一阵营。
