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      ?6種燃料電池及相關產業
      2022年06月20日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:98
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      伴隨著各國發布禁燃油車時刻表,各家車企都陸續暫停或者放緩了內燃機的研發工作,開始走向純電動車和燃料電池車的道路。純電動(BEV)以其優越的性能和效率已經較低的使用成本,在低里程的場景有著極大的優勢,但是在現階段的復雜應用場景中,在低溫、長里程、快速加燃料的場景中,需要燃料電池(FCV)來補充,同時儲氫長期來講是緩沖國家電網的重要途徑。據中國氫能聯盟預估,到2025年中國燃料電池產業產值將達1萬億元。

      全球首部商業販售的氫氣燃料電池汽車-豐田Mira 

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      近年來,中國氫燃料電池行業受到各級政府的高度重視和國家產業政策的重點支持。隨著國家陸續出臺多項政策,將鼓勵氫燃料電池行業發展與創新,為氫燃料電池行業的發展提供了良好的政策保障,促進氫燃料電池快速發展。

      碳中和政策的能源商機

      我國2001年啟動的863計劃-電動車重大專項中就確定了三縱三橫戰略,其中三縱包括純電動、混合電動、燃料電池汽車。2022年3月23日,國家發改委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》提出重點推進氫燃料電池中重型車輛應用,有序拓展氫燃料電池等新能源客、貨汽車市場應用空間,逐步建立燃料電池電動汽車與鋰電池純電動汽車的互補發展模式,促進氫燃料電池汽車行業發展。規劃提到到2025年,基本掌握核心技術和制造工藝,燃料電池車輛保有量約5萬輛;到2030年,形成較為完備的氫能產業技術創新體系;到2035年,形成氫能產業體系,構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。

      一、燃料電池簡介

      燃料電池乍看與一般電池相似,也有正負極和電解質等電池主要部件,但細看發現與一般電池不同之處在于其正負極本身并無活性物質,負極(燃料電極)和正極(氧化劑電極)只是進行電極反應的催化轉換載體,它一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣等燃料作為負極,用空氣中的氧作為正極。以氫氧燃料電池為例,當電池工作時,反應物燃料氫(H2)和氧化劑氧(O2)分別由外部供給進行反應,原則上只要將這些反應物氫(H2)和氧(O2)不斷輸入,反應產物水(H2O)不斷排除,燃料電池就能源源不斷地輸出電來。燃料電池通過燃料的電化學反應直接產生電能,相當于一個小型發電裝置(主要包括雙極板、電解質、擴散層、催化劑),所以,燃料電池更象是一個“發電廠”,也可以認為是一種持續的“一次電池”。

      根據電解質和燃料的不同,燃料電池分為六類:質子交換膜燃料電池(PEMFC,采用極薄的塑料膜作為電解質)、直接甲醇燃料電池(DMFC,屬于質子交換膜燃料電池中的一類。直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源。而不需要通過甲醇,汽油和天然氣的重整以供發電)、固體氧化物燃料電池(SOFC,采用固體氧化物陶瓷作為電解質)、堿性燃料電池(AFC,采用氫氧化鉀溶液作為電解液)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC,采用熔融碳酸鹽作為其電解質)、磷酸燃料電池(PAFC,采用200攝氏度高溫下的液體磷酸作為其電解質)。雖然燃料電池技術已日趨成熟完善,各國政府也從政策上大力支持,但燃料電池技術產業化仍然面臨一系列挑戰,下文一起來盤點一下不用類型的燃料電池特點及應用。

      二、燃料電池類型及特點

      燃料電池類型及特點

      1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)

      質子交換膜燃料電池(PEMFC)采用可傳導離子的聚合膜(極薄的塑料膜)作為電解質,所以也叫聚合物電解質燃料電池(PEFC)、同體聚合物燃料電池(SPFC)或固體聚合物電解質燃料電池(SPEFC)。

      PEMFC采用水基酸性聚合物(一般為全氟磺酸)作為電解質、鉑作為催化劑,是當前燃料電動汽車和物料搬運車的首選技術路線。相較其它技術路線,其特點為運行溫度相對較低(一般低于100℃),同時可以根據需要靈活調整電堆輸出功率。但因相對低的啟動溫度并采用貴金屬基電極,這類電池必須使用高純度的氫。為克服高純度氫氣需求限制,目前PEMFC出現高溫型技術路線,其原理為將水基電解質變成無機酸基電解質,該類電池運行溫度可以高達200℃,對氫氣的純度要求較低,但又有能量密度較低的弊端。

      2、直接甲醇燃料電池(DMFC)

      直接甲醇燃料電池DMFC是相對較新的技術,由美國NASA和噴氣式推進實驗室在90年代發現。與PEMFC電池一樣需要使用聚合物膜作為電解質,不同點為其采用鉑-釕催化劑,燃料可以是氫也可以是液態甲醇,因此被稱作直接甲醇燃料電池。甲醇具有相對高的能量密度,很容易運輸和存儲。基于其運行溫度60~130℃,效率60%左右,直接甲醇燃料電池主要應用方向為電子產品、移動充電寶、物料搬運車等領域。

      3、固體氧化物燃料電池(SOFC)

      固體氧化物燃料電池SOFC采用固體陶瓷作為電解質(例如氧化鋯-氧化釔,當然,這不是唯一的選項。更多請看相關相關閱讀:固體氧化物燃料電池—電解質大盤點),運行溫度非常高,最高運行溫度高達800-1000℃,對鉑催化劑依賴較小,可采用多種碳氫化合物燃料(甲烷、煤氣等)。其能量轉換效率超過60%,如果放出的熱量能夠被回收利用,轉化率則可高達80%。但受限于啟動時間長,很難應用于汽車領域。

      固體燃料電池在大型、小型固定式熱電聯產發電站中應用較多,例如Bloom的100kW離網發電站。此外,輸出功率kW級的管狀固體燃料電池還成功應用在便攜式充電裝置領域。

      4、堿性燃料電池(AFC)

      堿性燃料電池(AFC)由英國發明家法蘭西斯·湯瑪士·培根(FrancisThomasBacon)所發明,以碳為電極,并使用氫氧化鉀為電解質,要求高純度氫,操作溫度約為攝氏100~250度(最新的堿性燃料電池操作溫度約為攝氏23~70度)。NASA早在1960年時便開始將它運用在穿梭機的發射及人工衛星上,包括著名的阿波羅計劃也使用這種燃料電池。AFC的電能轉換效率為所有燃料電池中最高的,最高可達70%,其優點是可采用非貴金屬作為催化劑(鎳最常見)。

      由于堿性燃料電池是以氫氧化鉀作為電解質,因此若由進氣口中進入電池的氣體中含有二氧化碳,氫氧化鉀會與二氧化碳反應形成碳酸鉀,碳酸鉀則會堵住碳電極上的孔,氫氣或氧氣無法與電解質接觸,會嚴重影響發電效率。

      5、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

      熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是在600°C及以上溫度下運行的高溫燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)開發用于天然氣、沼氣(由厭氧消化或生物質氣化產生)和用于電力、工業和軍事應用的煤基發電廠。MCFC是高溫燃料電池,其電解質由懸浮在多孔、化學惰性的β-氧化鋁陶瓷基質中的熔融碳酸鹽混合物(包括碳酸鋰、碳酸鉀及碳酸鋰)組成。由于它們在600°C及以上的極高溫度下工作,因此非貴重金屬可以用作陽極和陰極催化劑,從而降低成本。

      提高效率是MCFC比磷酸燃料電池(PAFC)顯著降低成本的另一個原因。熔融碳酸鹽燃料電池的效率可以達到接近60%,大大高于磷酸燃料電池工廠37-42%的效率。當余熱被捕獲和使用時,整體燃料效率可高達85%。與堿性、磷酸和聚合物電解質膜燃料電池不同,MCFC不需要外部重整器將燃料轉化為氫氣,利用MCFC運行時的高溫,這些燃料可以在燃料電池內轉化為氫氣,大大也降低了成本。

      MCFC技術的主要缺點是耐用性。這些電池運行的高溫和使用的腐蝕性電解質會加速組件的損壞和腐蝕,從而縮短電池壽命。科學家們目前正在探索用于組件的耐腐蝕材料以及優化燃料電池設計,以提高電池使用壽命。

      6、磷酸燃料電池(PAFC)

      作為2001年之前的主流燃料電池技術,PAFC采用磷酸或磷酸基電解質,能有效減少鉑催化劑(運行溫度180℃左右)中毒,但發電效率較低,當熱電聯產時效率可達80%。主要應用在功率100~400kW的固定式發電站中,也有少量應用在大型汽車中。

       

       

      參考來源:

      1、燃料電池產業發展現狀及趨勢分析;馮丹,董仕寶,宗營,(解放軍空軍勤務學院)


      粉體圈編輯:Alpha

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