新能源汽车技术06-燃料电池

燃料电池是一项高效的绿色发电技术。燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转化为电能。燃料电池同样有正负极和电解质，只需要将负极注入燃料（一般为氢气），正极输送空气或氧气，便可产生稳定的电流。与传统发电方式相比，燃料电池能量转换效率高，而且具备零排放、无污染、噪声低、安装灵活等优点。燃料电池的主要应用领域包括交通运输、固定发电站，其中在交通运输领域燃料电池汽车被视为新能源汽车的终极绿色解决方案。新能源汽车电池——燃料电池燃料电池与普通电池的最大的区别在于没有电池容量的问题：普通电池是将活性物质贮存在电池内正负极，电池容量决定于活性物质可释放的化学能，因此容量有限；而燃料电池本身不包含活性物质，电极只是催化元件，通过不断的在正极输入空气或氧气，负极输入燃料就可以产生源源不断的稳定电流。燃料电池原理燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。该化学反应原理可以看做电解水的逆过程，反应方程如下：氢氧燃料电池酸性电解质：碱性电解质负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O正极:O2+2H2O+4e-==4OH-总反应:2H2+O2==2H2O负极：2H2-4e-==4H+正极：O2+4H++4e-==2H2O总反应：2H2+O2==2H2O燃料电池工作原理示意图通过反应，氢和氧被消耗，相应的化学能转化为电能。同时，反应生成热能和水，生成的水通过电极流场随反应的尾气排出。理论上，燃料电池的电能转化理论效率可达83%，目前的实际水平约为50%~60%，仍是能量转化率最高的电池。燃料电池中电极、电解质和双极板是核心组件。燃料电池的电极，是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，目前高温燃料电池的电极主要采用催化剂材料制成，低温燃料电池主要采用由气体扩散层支撑一薄层催化剂材料制成。电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，目前主要朝两个发展方向，其一是以铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜，另一则是采用全氟磺酸树脂。双极板，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。堆叠结构是目前的主流结构。电池堆中一个单体电池在全额负载下可产生0.6V至0.7V的电压，为了使电池能够达到足够的电压和功率，采取的方法是将多个单体电池以串联和并联的方式连接。这种设计被称为“燃料电池堆叠”。在堆叠结构中，燃料气体和氧气均匀分布于所有电池，以获得最大的功率输出。燃料电池的规律①燃料做负极，助燃剂氧气为正极②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源，且对环境无污染。燃料电池与前几种电池的差别：①氧化剂与还原剂在工作时不断补充；②反应产物不断排出燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。*评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电导率和经济性。燃料电池的特性(1)高效率在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能,而是直接发电,不受卡诺热机效率的限制。理论上讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用的电和热，实际效率可望在80%以上。这样的高效率是史无前例的燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换,比能量不会随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延长,其输出能量也越多。燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为1.0，而汽轮机为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的2倍。（2）可靠性与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠；电池组合是模块结构,维修方便；处于额定功率以上过载运行时,它也能承受而效率变化不大；当负载有变化时,它的响应速度也快。燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。（3）良好的环境效益当今世界的环境问题已经威胁到了人类的生存和发展。据统计，本世纪经历了两次世界大战，但是因为环境污染造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。而环境污染的发生，大多数是由于燃料的使用，尤其是各种燃料的燃烧过程。因而，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源技术。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。燃料电池发电厂排放的气体污染物仅为最严格的环境标准的十分之一，温室气体CO2的排放量也远小于火力发电厂。燃料电池中燃料的电化学反应副产物是水，其量极少，而且比一般火力发电厂排放的要清洁得多。因而，燃料电池不仅消除或减少了水污染问题，也无需设置废气控制系统。燃料电池发电厂没有火力发电厂那样的噪声源，因而工作环境非常安静；不产生大量废弃物，因而占地面积也少。燃料电池是各种能量转换装置中危险性最小的。这是因为它规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。（4）良好的操作性能燃料电池具有其它技术无可比拟的优良的操作性能，节省了运行费用。其发电系统对负载变动的响应速度快，无论处于额定功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行，它都能承受，并且发电效率波动不大，供电稳定性高。（5）灵活性燃料电池发电厂可在2年内建成投产，其效率与规模无关，可根据用户需求而增减发电容量。这对电力公司和用户来说是最关键的因素及经济利益所在。燃料电池发电系统是全自动运行，机械运动部件很少维护简单，费用低，适合用做偏远地区﹑环境恶劣以及特殊场合（如空间站和航天飞机）的电源。燃料电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电站现场集成，安装，施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，维修方便。（6）燃料来源广泛燃料电池可以使用多种初级燃料，如天然气﹑煤气﹑甲醇﹑乙醇﹑汽油，也可以使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤﹑废木﹑废纸，甚至城市垃圾，当然这些燃料需经过重整处理后才能使用。（7）发展潜力燃料电池在效率上的突破，使其可与所有的传统发电技术竞争。作为正在发展的技术，磷酸燃料电池已有了令人鼓舞的进展。熔盐碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，将在未来15～20年内产生飞跃性进步。而其它传统的发电技术，如汽轮机﹑内燃机等，由于价格﹑污染等问题，其发展似乎走到了尽头。燃料电池的不足之处市场价格昂贵高温时寿命及稳定性不理想燃料电池技术不够普及没有完善的燃料供应体系燃料电池锂电池成本成本高、制氢过程复杂成为燃料电池发展的主要障碍。氢气通过电解或蒸汽重组的方法得到。不过这两种方法成本颇高。锂离子电池生产成本相对较低，此外其重复充电利用非常方便，相比其他可携带能源，其具有更高的成本效益。环境影响燃料电池和锂离子电池对环境的影响都很小。前者燃烧产物为水，不会产生汽沌柴油燃烧后生成的温室气体。锂离子电池的放电产物有氧化锂、氢氧化锂等，对环境不会造成影响。此外，锂离子电池可重复利用。材料燃料电池中利用聚合物膜作为电极，支持氢氧反应后产生电能。聚合物膜必须经过特殊加工，以承受高温和机械应力。锂离子电池中的锂离子能够吸附电荷，因此电池才拥有储电能力。锂离子的质量很轻，因此是汽车理想的动力源。挑战对于燃料电池来说，还有多项技术难题等待解决。例如，铂催化剂的高成本、密封技术的复杂工艺、体积庞大的储氢罐以及启动时间较长等问题。锂离子电池发展面临的问题则是充电基础设施普通程度较低。因此，只要建立起良好的充电设施和充电网络后，该问题将得以解决。潜力无论燃料电池还是锂离子电池，相关的技术均还有大量进步的空间。如果燃料电池的成本能够降低，则能够真正作为汽洫柴油燃料的替代能源。对于锂电池来说，如果其能量密度能够进一步提高，循环寿命能够更长，则也是一种非常优秀的驱动能源。充电续航就汽车行业而言，燃料电池充满进行长途行驶的时间约为3~5分钟，这与传统燃油加油时间相当在相同的情况下，充满一辆车的时间大约需要20分钟，而行驶的里程数仅为燃料电池的一半左右燃料电池优势明显：氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，所以用氢气作为“燃料”似乎最合适不过。由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过50%（内燃机转化效率为10%），排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。相比于纯电动车的充电时间来说，燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在3-5分钟左右。各类车型指标比较高能量密度是燃料电池能够有望实现后来者居上的基础：如果新能源要想颠覆传统能源长期发展建立起来的产业链条和基础网络，高能量密度是基础。在世界范围内，新能源锂电汽车之所以目前占比仍然较低，主要是由于其低能量密度。而氢能源能量密度是汽油及天然气的3倍以上，具有快速发展的基础。各种能源能量密度对比表按照燃料电池的电解质进行分类，可将其分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）这五类。其中，碱性燃料电池造价过高，磷酸型燃料电池的能量综合利用率不足，熔融碳酸盐燃料电池寿命较短，目前处于商业化阶段的为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），前者主要应用于汽车动力电池，后两者主要应用于固定式发电和热电联产。按其工作温度的不同又可分为低温和高温两种。把碱性燃料电池（工作温度为100℃）、质子交换膜燃料电池（100℃以内）和磷酸型燃料电池（工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。按照技术开发与应用的时间进行分类：碱性燃料电池开发时间最早，为第一代燃料电池；磷酸型燃料电池称为第二代燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池称为第三代燃料电池；把固体氧化物燃料电池称为第四代燃料电池，质子交换膜燃料电池被称为第五代燃料电池。也有一种分类未考虑碱性燃料电池，将磷酸型燃料电池列为第一代，熔融碳酸盐燃料电池为第二代，以此类推，这主要是由于碱性燃料电池造价极其昂贵，最早是被美国航天局使用在航天飞机上，并无民用，因此在分类上没有考虑。低温、启动速度快，PEMFC在动力电池优势明显；高温、高效、低成本的SOFC与MCFC适合固定发电站。在工作温度上，PEMFC为低温电池，工作温度一般为80-100℃，SOFC与MCFC为高温电池，工作温度分别为700-1,000℃和600-700℃；在应用领域上，PEMFC由于低温工作且启动速度快非常适合做动力电池，以PEMFC为动力的量产汽车丰田Mirai已经上市，此外在军事领域作为潜艇、驱逐舰等动力电池已有深入研究和应用实践。SOFC与MCFC高温工作且启动速度相对较慢在动力电池上不具备优势，但由于成本相对较低，并可以有效利用废热能量，发电效率高达50-70%，在固定式发电应用领域优势明显，非常适合集中式发电站和分散式发电站。在催化剂和燃料上，PEMFC一般采取贵金属铂做催化剂，成本较高，燃料为纯氢，CO的存在会出现催化剂中毒，减低电池寿命；SOFC和MCFC的催化剂为锰酸镧、镍等，成本较低，CO一般产生于电池本身对天然气的重整，且可直接成为电池燃料。燃料电池当前主要应用领域是交通运输动力电池、固定发电站（一般做后备和调峰电源、热电联产）。由于第一代燃料电池AFC成本过于高昂，第二代燃料电池PAFC在能量利用率等性能上不如后来的几种技术，目前最接近商业化的是第三代燃料电池SOFC，第四代燃料电池MCFC以及第五代燃料电池PEMFC。其中