你了解燃料电池吗？详解燃料电池主要种类及应用场景
来源：宝鄂实业
2019-04-12 12:13
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一、燃料电池分类及优劣势比较
按照电解质不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）及固态氧化物燃料电池（SOFC）。
质子交换膜燃料电池。也称聚合物电解质膜或固态聚合物电解质膜燃料电池，电解质是一片薄的聚合物膜。在80℃的温度下即可工作，在严寒条件下亦能迅速启动。其电力密度高，其体积相对较小，同时工作效率高，并且能快速地根据用电需求而改变其输出。但这类燃料电池对膜材料要求较高，增加了制造成本，此外，该类电池需要采用贵金属作为催化剂，铂价格较高，增加了电池成本，且催化剂与工作介质中的一氧化碳发生作用后发生“中毒”而失效，会降低工作效率或完全损坏。
碱性燃料电池。该电池的结构与质子交换膜燃料电池类似，其电解液为水溶液或氢氧化钾基质。工作温度较低，约为80℃，因此启动较快，但能量密度较低，仅为质子交换膜的十分之一。碱性燃料电池生产成本低，催化剂对一氧化碳等杂志也较敏感。可用于固定发电装置，在航天飞机上也有所使用，提供动力和水。
磷酸燃料电池。该类电池的电解质为液体磷酸，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作稳定较高，约150℃-200℃，但亦需电极上的白金催化剂加速反映。由于温度高，其反映速度更快，对杂质的耐受性也更强。磷酸燃料电池效率较低，约为40%，加热时间更长。该类电池可用为医院、学校、小型电站等提供动力。
熔化的碳酸盐燃料电池。这类电池原理为温度加热到650℃时，盐会产生熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。这种电池工作的高温能够在内部重塑天然气和石油等碳氢化合物，在内部生成氢。此外，该类电池的催化剂可由镍替代，产生的多余热量还可被联合热电厂利用。但正是因为高温，电池需要较长时间才可达到工作温度，且在交通运输和家庭发电方面均不太安全，对大规模的工业加工和发电气轮机更为适用。
固态氧化物燃料电池。该类电池的电解质为固态陶瓷电解质，工作温度更高，800~1000℃之间。这类电池能够抵御外界一氧化碳、硫等杂质的污染，也可以直接使用石油或天然气实现发电。因使用的是固态电解质，这类电池比熔化的碳酸盐燃料电池更稳定，也更安全，但用来承受其高温的建造材料也更昂贵。
1、电解质价廉，使用酸性的电解液；
2、能直接使用烃类化合物转换的含有CO2的富氢气体作为燃料；
3、技术成熟可靠性高，电力密度大，长期运行性能好；
1、阴极性能得到改善； 2、可以不使用贵金属作为催化剂；
3、材料成本低，电解质成本非常低廉；
1、燃料适应性广； 2、采用非贵金属作为催化剂；
3、启动速度快；
1、燃料适应性广； 2、采用非贵金属作为催化剂 3、高品位余热可用于热电联供；
4、较高的功率密度；
1、燃料适应性广
2、固态电解质更安全；
3、高品位余热可用于热电联供；
4、较高的功率度；
5、对硫抗耐；
缺点
1、启动时间长； 2、铂催化剂昂贵； 3、对CO和S中毒敏感 ；
4、电解质是有腐蚀性的液体，运行时必须及时补充电解质；
1、必须使用纯的H2和O2；
2、需周期性地更换KOH电解质；
3、必须从阳极及时除水；
4、电解质容易CO2中毒；
1、CO2必须再循环；
2、熔融碳酸盐电解质有腐蚀性 3、退化/寿命问题； 4、材料昂贵；
1、材料在高温下运行会产生一系列问题； 2、密封问题； 3、电池部件制造成本高；
1、工作温度高、启动慢；
2、制造材料成本高；
二、氢能优势
原料来源广。燃料电池燃烧的燃料主要是氢气，而水中富含大量的氢元素，可以作为氢气的重要来源。此外，化石燃料，如煤炭、天然气、石油等也富含丰富的氢元素，也可作为氢气的来源。
能量转化效率高。燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%，而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。
适用范围广。规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建筑设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池既适用于城市大型发电站，也可作为医院、商店、集体宿舍、边远山区的小型发电装置，以及日常和国防用于行走机械的动力系统。
环境保护性，“碳”值低。从煤炭到石油、再从石油到天然气，清洁能源的革命均是以脱碳为目标。而H2作为燃料的燃料电池，其工作时仅有水排出，同时不会产生任何副产品，是非常环保的供能系统。若以其他烃类化合物作为燃料，通过燃料电池系统释放出来的污染物比直接燃烧要降低几个数量级，亦可有效的保护环境。
能量密度高。与木柴、煤炭、汽油、天然气和锂电池等传统供能燃料或系统相比，氢气的能量密度非常高。同等质量下，氢气是煤热值的4.7倍，是石油天然气的3.3倍，更是三元锂电池蓄能的100多倍。
表3各类燃料能量密度比较
燃料（储能）类型
能量密度（MJ/Kg）
三、主要应用领域
机动车上的应用。燃料电池汽车的用户使用习惯与传统燃油汽车用户使用习惯类似。传统燃油汽车的气体排放成为空气中的主要污染物之一，与此同时，部分国家地区由于汽车保有量的持续上升给石油需求带来巨大压力。新能源汽车已应运而生，燃料电池汽车则因其具有续航里程高、加氢时间短、动力性能好等多项特点成为替代传统燃油汽车的产品。
军事上的应用。燃料电池使用时间长，以及宁静的工作特点极适合于军事工作对电力的需要。在军事上，微型燃料电池要比普通的电池具有更高的能量密度和更强的优越性，在进行下一次燃料补给之前，车辆可以行使地更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。
空间领域的应用。在20世纪50年代后期和60年代初期，美国政府为了替其载人航天飞行寻找可靠的能源，对燃料电池的研究给予了极大的关心和资助，使燃料电池取得了长足的进步。重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水，所有这些优点均是其它能源不可比拟的。
发电厂的应用。目前全球范围内，燃料电池开发的最完善是固定发电站。燃料电池技术的独立性、高能效对于那些国家电网不能覆盖，或国家电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言，具有特殊的意义。
移动装置上的应用。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和补充燃料方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势，无人机上已有燃料电池的应用。目前美国、德国等国也依旧在研究该类便携式燃料电池产品。
家庭供能的应用。低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池可以满足私人居住和小型企业的所有热电需求。这些燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源。
四、产业演进
燃料电池的发展最早可追溯到上世纪50年代，至今已发展了近90年。纵观燃料电池发展史，可分为几段重要时期。
阶段一：1950年~1990年；不计成本的技术探索期，在航天、军事领域等有所应用；
阶段二：1990年~2000年；技术快速飞跃、成本快速下降，参与研发和生产的国家和相关企业数量增长，燃料电池在汽车、发电等多个领域的应用逐步实现；
阶段三：2000年~2010年：燃料电池性能进一步提升，专利申请活跃度高；全球多个国家和地区通过制定规划、投入资金等方式支持燃料电池发展；汽车等应用领域接近商业化水平；
阶段四：2010年至今：燃料电池性能和成本已可满足商业化应用，部分企业已实现商业化运营；多个国家和地区开始重视燃料电池技术发展，持续发布政策支持产业发展。
