燃料电池简介

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燃料电池的发展现状
燃料电池可提供多样化的能源解决方案，将来极有可能替代传统的电 源供应装置，如电池、内燃机。燃料电池的应用及其广泛，从家庭供 电供热、移动电子设备供电到汽车动力推进系统。 根据燃料电池的应用方式，一般分为移动型（Portable)、固定型 (Stationary)、交通运输型(Transport)； 2010年，全球燃料电池总出货量同比增长40%，达到了创历史记录 的23万套，其中，移动型燃料电池约占总出货量的95%。值得注意的 是，2010年全球销售的燃料电池中有超过97%使用的是PEMFC，即 质子交换膜燃料电池技术，该类型燃料电池被认为最适合应用于新能 源汽车。
固态氧化物燃料电池SOFC
固态氧化物燃料电池工作温度比熔融碳酸盐燃料电池的温度还要高， 其工作温度位于800-1000℃之间。在这种燃料电池中，当氧阳向离子 从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使 便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少 进入的氧，从而完成循环。 固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐 受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池 更稳定。 固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，可考虑用于大型发电厂。
2007-2011全球燃料电池出货量（根据应用方式划分）
单位：千套
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据应用方式划分）
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池出货量（根据地区划分）
单位Байду номын сангаас千套
资料来源：Fuel Cell Today
燃料电池简介
目录
燃料电池的概念 燃料电池的分类 燃料电池的优势 燃料电池的发展现状 燃料电池汽车
燃料电池的概念
简单地说，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，电就被奇妙地生产出来。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”。电能转换效率一般为45%-60%，而火力发电 的效率一般在30%-40%。 燃料电池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大约160年的历 史。 最近五年商业化发展非常迅速，在航空航天、交通运输、消费电 子产品及固定供电供热装置等领域有了很多成功运用。 目前燃料电池根据应用方式不同，分为三大应用领域类型：移动型 （Portable)、固定型(Stationary)、交通运输(Transport)
质子交换膜燃料电池PEMFC
• 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电 极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。 • 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下， 电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的 白金进行催化。 • 每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱 动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将 多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。 • 质子交换膜燃料电池PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量 密度高、寿命长、重量轻、无腐蚀性、不受二氧化碳的影响， 能量来源比较广泛等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电 源和中、小型发电系统。可以考虑用来发展燃料电池汽车 （FCEV）。
PEMFC 电解质 工作温度 电能转换率 功率 离子交换薄膜 80℃ 40-60% <250kw 电动汽车、移动 电子设备
DMFC 聚合薄膜 60-130℃ 40% <1kw
MCFC 熔融碳酸盐 650℃ 45-60% >200kw
PAFC 高温磷酸 200℃ 35-40% >50kw
SOFC 固态陶瓷 1000℃ 50-65% <200kw
2007 4.9 19.6 12.0 0.6 37.1
2008 5.0 23.0 22.8 0.3 51.1
2009 2.9 37.6 45.3 0.7 86.5
2010 5.8 41.2 42.6 0.4 90.0
2011 8.9 57.9 19.2 0.2 86.2
2007 10.6 0.3 1.4 0.7 24.1 0.0 37.1
磷酸燃料电池PAFC
磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。使用液体磷 酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要位于150 - 200℃左右，但 仍需电极上的白金催化剂来加速反应。由于其工作温度较高，所以其 阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。且较高 的工作温度也使其对杂质的耐受性较强。 磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也 比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简单，稳定，电解质挥发度低 等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。
直接甲醇燃料电池DMFC
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或 蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制 氢以供发电。 相较于质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池具备低温快速启动、 燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。这使得直接甲醇燃料电池可 能成为未来便携式电子产品应用的主流。 体积小巧，燃料使用便利，洁净环保，可以用作移动电话和膝上型电 脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力； 其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃 料电池需要更多的白金催化剂。
燃料电池的分类
燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展
碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）采用氢氧化钾溶液作为电解液 磷酸盐型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）采用200℃高温下
的磷酸作为其电解质
熔融碳酸盐型燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）采用熔融
熔融碳酸盐燃料电池MCFC
熔化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是 使用熔化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到 650℃时，这种盐就会溶化，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。电子然后通过外部回路返回到阴极，在 这过程中发电。 这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在 燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其 产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达 60%。 这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输， 可考虑用于大型发电厂。
燃料电池的优势
洁净、安全的发电装置 有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低；积木化强，规模及安装地 点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短 能量转化效率高 直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程。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% 多燃料系统 可根据各种燃料电池的用途和条件选择使用最合适的燃料 负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率
DMFC：直接甲醇燃料电池 MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池 P AFC：磷酸盐型燃料电池
参考数据
出货量（单位：千套） 应用类型 移动型 固定型 交通运输 合计 出货量（单位：千套） 地区 欧洲 北美 亚洲 其他地区 合计 出货量（单位：千套） 技术类型 PEMFC DMFC PAFC SOFC MCFC AFC 合计 2007 9.5 2.0 0.3 11.8 2008 13.3 3.6 0.8 17.7 2009 156.0 6.7 2.0 164.7 2010 219.8 7.4 2.4 229.6 2011 274.0 10.0 1.6 285.6
态碳酸盐作为其电解质
固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）采用固态电解质 质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）
采用极薄的塑料薄膜作为其电解质
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）属于质子交换 膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料 供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电。
2008 12.3 5.4 0.0 0.0 0.0 0.0 17.7
2009 158.8 5.8 0.0 0.1 0.0 0.0 164.7
2010 222.8 6.7 0.0 0.1 0.0 0.0 229.6
2011 277.7 7.5 0.0 0.4 0.0 0.0 285.6
资料来源：Fuel Cell Today
2007 6.9 3.0 1.8 0.1 11.8
2008 6.2 3.1 8.4 0.0 17.7
2009 79.5 63.3 21.8 0.1 164.7
2010 116.7 83.3 29.5 0.1 229.6
2011 144.8 104.4 36.3 0.1 285.6
2007 3.4 8.3 0.0 0.1 0.0 0.0 11.8
AFC 氢氧化钾 60-90℃ 45-60% >20kw
应用领域
电动汽车、公共 大型发电厂 汽车
小型固定供电 中大型发电厂 宇宙飞船 供热设备
碱性燃料电池AFC
• 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包 括航天飞机提供动力和饮用水。 • 碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的 电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。 • 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快，但其电力密 度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨 拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的 固定发电装置。
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据地区划分）
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2010年全球各技术类型燃料电池发展状况
根据出货量划分
PEMFC：质子交换膜燃料电池 S O F C：固体氧化物燃料电池 A F C：碱性燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
根据发电功率划分
燃料电池汽车 FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle
• 燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大 气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、 天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极 度少的二氧化碳和氮氧化物。燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍， 因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。 • 在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家的污染法规 渐趋严格，因此对低污染车辆之需求势必增加。汽车业界近年来一直致力于开 发氢燃料电池车。其中较为领先的有美国通用、德国戴姆勒、日本丰田和本田 等。 国内有上海的上汽集团、同济大学汽车学院。 • 由同济大学与国内五大整车厂合作生产、在上海世博园区示范运营的196辆燃料 电池汽车（含90辆燃料电池轿车、6辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车）， 自上海世博会开园以来连续运行5个月。其中，仅在园区内高架步道及北环路运 行的燃料电池观光车一种车型，已累计载客137万人次，总行驶里程达44万余 公里。
参考数据
发电功率（单位：MW） 应用类型 移动型 固定型 交通运输 合计 发电功率（单位：MW） 地区 欧洲 北美 亚洲 其他地区 合计 发电功率（单位：MW） 技术类型 PEMFC DMFC PAFC SOFC MCFC AFC 合计 2007 0.3 30.7 6.1 37.1 2008 0.3 33.2 17.6 51.1 2009 1.5 35.4 49.6 86.5 2010 2.3 32.9 54.8 90.0 2011 2.8 54.6 28.8 86.2
2008 28.9 0.3 8.6 1.3 12.0 0.0 51.1
2009 60.0 1.1 6.3 1.1 18.0 0.0 86.5
2010 66.4 1.1 7.9 6.7 7.7 0.2 90.0
2011 48.1 1.3 3.4 6.0 27.3 0.1 86.2
资料来源：Fuel Cell Today