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七、氢燃料电池
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/5/9 23:07:34 阅读:29次 【字体:
 

七、氢燃料电池
燃料电池的历史
可以追溯到第19世纪英国法官和科学家William Robert Grove 爵士的工作。1839年,Grove所进行的电解作用实验——使用电将水分解成氢和氧——是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。
  Grove推想到,如果将氧和氢反应就有可能使电解过程逆转产生电。为了证实这一理论,他将二条白金带分别放入二个密封的瓶中,一个瓶中盛有氢,另一个瓶中盛有氧。当这二个盛器浸入稀释的硫酸溶液时,电流开始在二个电极之间流动,盛有气体的瓶中生成了水。为了升高所产生的电压,Grove将几个这种装置串联起来,终於得到了他所叫做的“气体电池”。“燃料电池”一词是1889年由Ludwig Mond 和Charles Langer 二位化学家创造的,他们当时试图用空气和工业煤气制造第一个实用的装置。
7.1氢燃料电池与原理


   7.1.1燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置。其工作原理与普通电池基本相同,也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是,传统电池是事先填充好内部物质,化学反应结束后,不能再释放出电能;而燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的,只要供应燃料,就能源源不断地输出电能和热能。简言之,普通电池是能量储存装置,而燃料电池是能量转换装置。 
7.1.2燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。它的种类可以多种多样,但都基于一个基本的设计,即它们都含有二个电极,一个负阳极和一个正阴极。这二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上,催化剂,例如白金,常用来加速电化学反应。
  7.1.3燃料电池的效率
燃料电池行业一般以0.6-0.7立方氢气/KWh
7.1.3.1、热力学效率
热力学效率也称极限效率,是燃料电池理论上能达到的最高效率。由于燃料电池所用的燃料通常可以燃烧并释放能量,热力学效率可以用发电装置产生的电能与燃料燃烧反应所释放的热能(AH)相比较,理论上燃料电池的热力学效率在高温时比低温时低。然而在较高温下,反应速率增加.且相同电流密度下过电位也比低温时要低。另外,高温燃料电池可以少用或不用贵金属电极催化剂,产生的余热更容易利用。因而,综合比较起来,高温燃料电池的实际效率更高。
7.1.3.2、电化学效率
电化学效率,也称电压效率,对于不同的电池设计,即使是相同的电化学反应,也会有不同的效率。
7.1.3.3、发电效率
燃料电池的发电效率,也称实际效率,影响实际效率的因素较多,主要有电流密度、极化、温度、燃料利用率
7.1.3.4、共发电效率
燃料电池的一个显著优点是在发电的同时,能提供高质量的热水或水蒸气,特别是千瓦级以上的燃料电池电站和发电厂。这种发电模式称为联合供热发电(CHP, combined heat and power),也称为共发电。共发电功率等于燃料电池电力输出功率与热负荷之和。
7.1.3.5、 对于完整的燃料电池系统来说,发电的全过程除了发电和供热,还包括燃料重整,反应气体的输送,电极的加热、冷却,电力调节和转换等,这些过程的效率都影响燃料电池系统的总效率。燃料电池总效率是所有过程效率综合的结果。
7.1.4衡量燃料电池电流密度、功率密度、成本和效率。
7.1.4.1电流密度。单个燃料电池的关键指标是电流密度,即单位电极面积上的电流强度(mA/cm2 )。但需要说明的是,燃料电池的电流强度并不与电极面积成正比,电极面积增大一倍,电流强度并不增加一倍。原因比较复杂。与燃料电池的类型和电池的设计等因素有关。
7.1.4.2功率密度。燃料电池电源具有一定的功率、重量和体积。关键指标是功率密度和比功率。
7.1.4.3寿命。燃料电池的寿命通常是指电源工作的累积时间(h)。当燃料电池不能输出额定功率时,它的寿命即告终结。例如一个额定功率1kW的电池电源,出厂时的输出功率一般比额定功率高20%,即1.2kW。当该电源的输出功率小于1kW时,它就失效了。千小时电压降也被用做燃料电池的寿命参数。
7.1.4.4成本。燃料电池的成本是制约其应用的最重要指标,用USD/kW表示。
7.1.4.5效率。同其他发电装置一样,效率是燃料电池电源的重要指标。效率与能源利用率密切相关,在能源紧缺的今天,显得尤为重要.

燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型,每类燃料电池需要特殊的材料和燃料,且使用于其特殊的应用。本文后面的部分将以质子交换膜燃料电池为例介绍燃料电池概念的科学技术发展,同时也讨论一些其它主要设计的特点和应用。
 7.2 氢燃料电池技术

7.2.1 燃料电池系统主要包含空气供应子系统、氢气循环子系统和水热管理子系统,共3大系统。
其中,氢气循环子系统向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气,保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行。氢气循环系统通过大量氢气循环利用,保证燃料电池内的水平衡,并提高系统的经济性。

7.2.2氢气循环回路设计
燃料电池在工作过程中,会有明显的反应不完全的情况,即有很多氢气不会参加反应,如果将未反应的氢气直接排放到大气中,既是一种污染,也会导致氢气浪费。为了解决这一问题,目前有以下几种解决方案:
 7.2.2.1直排无循环模式
系统将未反应的氢气直接排放到大气中,这一方案虽然结构简单,不涉及用到循环部件,但氢气排放到大气中,不仅造成燃料的浪费,影响经济性与续驶里程,还将对大气造成一定污染,如果此时空间不畅通,还极其危险,故而不被整车厂以及科研院所采用。
7.2.2.2 死端模式
密歇根大学的JixinChen等人提出了死端模式,死端模式是将燃料电池系统的至少一个出口封住。由于气体出口被封住,因此氢气会在电堆中停留更长时间,从而提高氢气利用率。死端模式虽然简化了系统部件,且一定程度上减少了氢气的浪费,但是一定条件下只能提供电堆反应所需的氢气量,不能实现过量的氢气计量比,从而导致反应效率下降,且由于将出口端封死,容易积聚反应水,所以需要定期清除残留水,这一操作使得燃料电池的性能下降,难以满足系统经济性和耐久性等要求。
7.2.2.3 建立再循环系统
再循环系统是将未反应的反应物输送回输入端,从而使反应物的浪费最小化。与死端模式相比,再循环系统不需要定期进行清除积水操作,从而可以更加稳定和持久地运行。按照实现方式和再循环系统的设备,又可以分为几种不同形式.
7.2.2.3.1无泵系统
日本宇宙航天研究机构的MasatoshiUno等人提出了一种利用反应物供应和消耗产生的压力升降实现未反应氢气的再循环。其原理图见图3。在具体操作过程中包括模式A和模式B两种模式。在模式A下,对燃料电池供气,并且供给量大于氢气的消耗量,如此,未反应的氢气会通过检测阀1,进入检测阀1和阀2之间。同时由于此处的气压小于氢气供应端的气压,检测阀2并不会开启。
模式A
当压力达到一定值时,减少氢气供应端的氢气供应量,此时燃料电池仍会进一步消耗电堆中的氢气,使得压力下降,直到检测阀由于压力差而开启。积累在检测阀1和阀2之间的未反应氢气就会被抽吸到燃料电池电堆中参与反应,实现无泵循环
7.2.2.3.2机械泵系统
机械泵系统属于再循环系统中的传统设计方式,优点在于能够轻松控制,从而实现电堆阳极出口处的氢气回收利用,且不存在工作范围限制;但其主要缺点在于机械泵的使用会产生额外的能耗、噪音、振动等问题,并且增加系统重量和体积,不利于进行发动机的布置和结构紧凑性设计。

7.2.2.3.3双引射器系统(Dual-Ejector)


引射器通过变径,降低氢瓶端输入的高压氢气压力并提高流速,从而形成与电堆阳极出口端的压差,进而实现对电堆阳极出口处氢气的回流引射。引射器具有不产生寄生功率、体积小、开发设计简单、资源广泛等优点。因此,合理的引射器设计能有效改善燃料电池性能。喷射器系统与机械泵系统的功能原理相似,都用于回收利用电堆阳极出口未反应的氢气,二者主要区别在于喷射器中没有移动部件,因此机械稳定性更好。并且在体积和重量上具有机械泵无可比拟的优势。

美国技术咨询公司DTI于2010年提出了双引射器的燃料电池系统设计方案。该系统方案利用高低压两个氢气引射器替代氢气循环泵来实现氢气循环功能,其中引射器分为低压氢气引射器和高压氢气引射器,分别针对不同电堆功率情况下实现回氢功能。引射器一般为固定喷嘴式引射器与可变喷嘴式引射器。

7.2.2.3.4单引射器系统

随着引射器技术的不断进步与发展,已经出现脉冲式单引射器,可以取代双引射器方案,实现系统结构与体积的进一步优化。但是适合于燃料电池环境的喷射器还不是特别成熟,尤其在低功率区存在工作范围局限性,而且由于引射器本身受工况影响很大,在燃料电池启停、负载变化时,其工作稳定性很难保证,见图8。
7.2.2.3.5引射器与氢气循环泵并联系统
在引射器工作范围内使用喷射器将未反应的气体输送到输入端,在引射器不工作的低功率区通过氢气循环泵实现氢气循环。引射器与氢气循环泵协同工作,实现氢气的循环利用,该方案不仅规避了引射器工作范围局限性的缺点,对氢气循环泵的功率也没有很高的要求,但对引射器与氢气循环泵的匹配和控制提出更高要求.
7.2.2.3.6引射器加旁路喷射器系统
单一引射器,不论是脉冲式引射器还是其他类型引射器,无法在低功率下去除电堆中产生的液态水。另外,电堆工作过程中,氮气会通过质子交换膜从电堆阴极渗透到电堆阳极,并在阳极逐渐积聚,导致氢气浓度降低,影响电堆的极化性能,因此需要定时对电堆阳极进行吹扫以保证阳极氢气浓度,进而保证电堆单体电压,但在吹扫过程中,需要大量的氢气注入电堆以保证压力的稳定,因此需要旁路喷射器来为吹扫过程提供额外的氢气。但是脉冲式引射器在氮气浓度高于15%时进行定期吹扫过程,而系统要求在氮气浓度高于20%时才进行净化吹扫过程,这就导致氢气的浪费损失,影响经济性指标与续驶里程.
7.2.3燃料电池氢气循环结论
7.2.3.1氢气供给子系统的作用是储藏氢气燃料和向电堆连续提供一定压力和流量的高纯度氢气,保证燃料电池电堆中的电化学反应的连续进行。供氢系统方案对比分析,从为数不多的国内外市场产品的技术应用上可以看出,不同厂家会根据燃料电池系统的功率大小、技术方案、应用车型等,从效率、成本、技术成熟度、资源可及性等方面进行供氢系统原理方案的设计,系统方案设计是综合考量的结果。
7.2.3.2氢气循环泵与引射器分别具有各自的优缺点,首先,循环泵具有容易控制,工作范围广泛,电堆内部反应均匀等优点;而引射器在小功率范围无法工作,控制困难,电堆内部反应不均匀,回氢量小,怠速工况下水不断积聚,导致吹扫频繁,从而导致氢气利用率降低等缺点;但未来引射器的设计要求其在怠速到全功率范围内实现工作,并且不存在寄生功率消耗,以此弥补引射器的上述缺点;另外,引射器还具有成本低、设计简单、质量体积小等优点;在资源方面,氢气循环泵目前资源主要集中在小功率级别,大功率级别氢气循环泵资源稀缺。
7.2.3.2从成本、资源可及性、效率、技术成熟度等方面综合考量,引射器将成为未来发展的热点。实际上各大整车厂也将设计研发的重点放在全功率范围工作的引射器上,未来系统还推荐加入旁路喷射器来辅助吹扫过程,优化系统合理性以及提高寿命等。引射器已经逐步成为燃料电池行业发展的热点,对未来燃料电池产业化的推进至关重要.
7.3 氢燃料电池行业,

7.3.1氢燃料电池产业链上游技术中,制氢、储氢、运输和加氢外,电池组件包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等,还包括电解质膜、催化剂、双极板、气体扩散层、氢泵等燃料电池的关键材料和部件。
其中电堆又可划分为双极板、电解质、催化剂、气体扩散层。
7.3.1.1质子交换膜--全氟磺酸型膜为目前主流,复合膜、高温膜、碱性膜是未来发展方向
质子交换膜是燃料电池关键材料,其作用是在反应时,只让阳极失去电子的氢离子(质子)透过到达阴极,但阻止电子、氢分子、水分子等通过,因而需要其具有以下几个特性:(1)电导率高(高选择性地离子导电而非电子导电);(2)化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原能力);(3)热稳定性好;(4)良好的机械性能(如强度和柔韧性);(5)反应气体的透气率低、水的电渗系数小;(6)可加工性好、价格适当。
国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力,武汉理工的产品还出口国外;在复合膜方面,武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。
7.3.1.2催化剂--Pt/C是目前主流,超低铂、无铂是未来方向
催化剂是燃料电池的关键材料之一,催化剂作用于氢气,使电子离开氢原子。目前燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C,由纳米级的Pt颗粒(3~5nm)和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成。
燃料电池催化剂主要生产商为美国的3M、Gore,英国的Johnson Matthery,德国的BASF,日本的Tanaka,比利时的Umicore 等,国内大连化物所具备小规模生产的能力。
7.3.1.3气体扩散层--容易实现降低成本,规模化生产是发展重点
气体扩散层位于流畅和催化层之间,主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道,并支撑催化剂。因此,扩散层基底材料的性能将直接影响燃料电池的电池性能。气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。
通常气体扩散层由支撑层和微孔层组成,支撑层材料大多是憎水处理过的多孔碳纸或碳布,微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成,作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻,使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配,有利于增强导电性,提高电极性能。
炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等,上海和森公司已有小批量碳纸产品。
7.3.1.4双极板--石墨双极板最为成熟,金属双极板是未来方向
双极板,又叫流场板,是燃料电池的关键组件之一,主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用。双极板占整个燃料电池重量的60%,成本的13%。主要功能有:连接单体模块、分隔反应气体、收集电流、散热和排水等。其基体材料需具有强度高、致密性好、导电和导热性能好等特点,材料的选择将直接影响燃料电池的电性能和使用寿命。
厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。
金属双极板是替代石墨双极板的最佳选择,表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。金属双极板的机械性能、加工性能、导电性等都十分优异,易于批量化生产降低成本,研究机构包括新源动力、大连化物所等。
7.3.1.5空压机--涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线
空压机的作用是将常压的空气压缩到燃料电池期望的压力,并根据电力需求提供相应的空气流量。空压机的种类很多,按工作原理可分为3大类:容积型(活塞式、螺杆式、涡旋式)、速度型(离心式、鼓风机)、热力型压缩机(喷射器)等。目前,车用燃料电池使用的空压机主要是容积型空压机和速度型空压机。
7.3.2中游是燃料电池系统的组装部分
燃料电池系统分为燃料电池电堆和辅助子系统两大部分。其中燃料电池电堆中的核心材料分为膜电极(MEA)、双极板及其他部件。辅助子系统包括了供氢子系统、供气子系统、水管理系统、热管理系统、探测器、系统控制等部件
7.3.2.1膜电极--有序化膜电极是发展方向
膜电极是电化学反应的核心部件,由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。膜电极组件直接影响到燃料电池的成本,燃料电池大量使用贵金属铂作为催化剂的活性成分,成为燃料电池成本居高不下的重要因素。
大体上可以分为热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型。膜电极的材料、结构及操作条件等决定着其电化学性能。膜电极结构的有序化使得电子、质子气体传质高效通畅,对提高发电性能和降低PGM的载量提供了新的解决方案。有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向
7.3.2.2成本--规模效应与技术进步驱动成本下降
燃料电池系统成本构成中,假设年产量为50万套,催化剂、双极板、质子交换膜、空气循环系统、氢气循环系统、热力管理系统分别占电池系统成本的24%、10%、5%、21%、5%、9%。
规模效应与技术进步是促进燃料电池成本逐步下降重要驱动因素。根据美国能源部(DOE)的测算,未来燃料电池系统的成本将逐步下降,在年产50万套燃料电池系统情况下,其成本将从每千瓦53-55美元下降到2020 年每千瓦40美元,未来目标成本是每千瓦30美元,降幅达到43%。
催化层在电堆中的成本最高,占到电堆成本的49%,主要原因在于催化层中含有贵金属铂。在目前的技术水平下用催化层中的铂载量约为1g/kW,美国能源局(DOE)的目标是,到2020年铂用量降至每千瓦0.125g。低铂和无铂催化剂是未来技术发展方向。
7.3.3下游应用主要有固定发电、交通运输、便携式电子以及包含军事、航天在内的特殊领域。
氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车,随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡,氢燃料电池主要应用于三大领域:固定领域、运输领域、便携式领域。从市场的观点来看,燃料电池因其效率高、持久性好、无污染、环境适应性强的特质,既适宜用于集中发电,建造大、中型电站和区域性分散电站,也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源,同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。
7.4 国内氢燃料电池配套行业
氢燃料电池/关键部件/材料
A.德尔股份——公司在年报中披露了在氢燃料电池和氢燃料加注设备方面的进展,主要涉及氢燃料电池、氢燃料加注设备和氢气传感器三方面业务。在氢燃料电池方面,公司自主研发设计开发的100 kW燃料电池电堆均采用金属双极板和高性能膜电极组合(MEA)与公司自主开发的窄流道双极板设计技术相结合;制造上采用冲压成型和层压装配技术,在提高电堆性能的同时兼顾了批量生产和成本控制问题。据高工氢电了解,德尔股份关联公司英飞腾,作为氢电叉车代言人,可提供完整的氢燃料电池系统,并应用于物料搬运行业。
B.在氢燃料加注设备方面,去年6月,德尔股份与日本龙野公司达成技术合作之后, 目前已经成功完成35MAP系列产品相关技术消化,并且完成了针对氢燃料物流搬运车辆的场内加氢的配套技术自主研发。公司正在全力投入下一代70MAP高压氢燃料加注设备的研发,也已经取得了数个大型项目的合作意向;氢气传感器方面,报告期内,德尔股份的子公司南方德尔已获得日本新泻株式会社氢气传感器系统专利的使用权。
C.汉钟精机——公司制冷产品主要应用于商用中央空调和冷链物流行业;空气产品主要用于工程机械等气源动力行业;真空产品主要应用于光伏、半导体、锂电池、医药化工等行业;热泵主要应用于集中采暖、工业制热等行业;涡旋产品可用于新能源汽车的空调及制动系统。目前公司正积极研发储备用于新能源汽车的涡旋压缩机、用于氢燃料电池的空压泵及回收泵等,对2019年度业绩尚未产生实质性影响。
D.欣锐科技——公司与中国第一汽车集团有限公司等公司和科研机构共同合作申报国家科技部国家重点研发计划新能源汽车重点专项“全功率燃料电池乘用车动力系统平台及整车开发”课题,承担课题中的大功率,高效率DC/DC设计与工艺优化的子课题开发工作;与广州汽车集团股份有限公司等公司和科研机构共同合作申报广东省科学技术厅重点领域研发计划“燃料电池乘用车整车集成及动力系统平台开发”项目,负责项目中燃料电池用DC/DC技术研究与开发工作。
E.合康新能——公司子公司合康电子新布局了燃料电池系统的新方向,依靠在新能源行业的行业积累及技术沉淀,开发了燃料电池DCDC及燃料电池控制器(FCU)两款产品。FCU实现对燃料电池系统(也叫燃料电池发动机)的精确控制,通过调配氢氧供应在燃料电池内部进行化学反应为车辆提供电能,经逆变器稳定电压输至电机,实现车辆电能至动能转换。
F.东沣科技—因战略转型,公司在东莞投资建设东沣新能源装备产业化基地,积极推进氢燃料电池、陶瓷纤维等项目研发及生产,导致公司研发费用和管理费用较上年同期相比增加。
G.威孚高科——威孚高科加强与战略投资者德国博世公司就氢能汽车新业务推进新一轮战略合作。2020年工作重点是要在推进现有业务系统开发的同时,推进氢燃料电池产品研发。公司将以氢能燃料电池测试中心全面启用为契机,建立从核心材料开发、关键部件研究到系统集成测试的能力,加快推进相关产品的研发进度,将产品推向市场。
H.中钢天源——,中钢天源研发中心正式并入子公司南京研究院;与英国拉夫堡大学开展了氢燃料电池项目的研发;与北大合作的氢燃料电池催化剂项目取得重要进展,并在南京研究院进行放大实验。中钢天源在年报的下一年度经营工作计划中提到,在同中钢新型合作开展的燃料电池石墨双极板项目的基础上,在氢燃料电池热电联供系统及分布式能源装备、优化燃料电池双极板材料性能及流场结构设计方面继续对外开展合作研究、组织产品中试并推广应用。
I.隆盛科技——隆盛科技主要从事汽车零部件行业,主营业务为发动机废气再循环(EGR)系统产品的研发、生产与销售。2019年,公司在新能源领域、燃料替代以及燃料电池等的核心零部件产品方面也有一定程度的布局和拓展。在燃料电池领域,公司针对上海捷氢、博世定向开发的氢气切断阀、氢气喷射阀、EAC空气压缩泵定子及空气轴承部件等,均进入到小批量A阶段样件交付阶段,并将在2020年进行进一步的设计优化。
J.龙蟠科技——募集资金总额为人民币4亿元,其中部分资金将用于新能源车用冷却液生产基地建设项目。目前已经向公司采购氢燃料电池冷却液或签署合同的客户有聊城中通轻型客车有限公司、上海重塑能源科技有限公司和安徽明天氢能科技股份有限公司等。
K.鹏翎股份——鹏翎股份主营业务为汽车流体管路和汽车密封部件的设计、研发、生产和销售。2019年,公司与国内某氢能源汽车厂家的合作取得了一定的进展,该氢能源车型的整车密封条项目定点给公司密封件事业部。
L.飞龙股份——公司展开电子水泵项目开发:该电子水泵项目与国内主要新能源车企建立供货关系,与国际多家知名企业展开合作;填补国内燃料电池冷却泵需求的空白,为国内不同功率燃料电池提供冷却需求;生产线布局在 10W 级无尘车间内,实现自动化生产和过程全追溯。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。
依据电解质的不同,燃料电池分为
1. 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells-PEMFC)
2. 碱性燃料电池(Alkaline Fuel cells-AFC)
3. 磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cellls-PAFC)
4. 熔融碳酸盐燃料电池((Molten Carbonate Fuel Cel1s-MCFC )
5. 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells-SOFC)
6. 直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cells-DMFC)
7. 再生型燃料电池(Regenerative Fuel Cells-RFC)
8. 锌空燃料电池(Zinc-air Fuel Cells-ZAFC)
9. 质子陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic Fuel Cells-PCFC)
开始介绍国内从事燃料电池技术研发的相关机构。
表1:燃料电池研发机构—官方及非盈利机构
机构名称    主要研究和技术领域
中华人民共和国科学技术部    863计划:政府拨款支持电动汽车项目(包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种类型)。
973计划:政府拨款支持燃料电池、氢存储等基础研究。
国家自然科学基金    支持燃料电池等相关技术的基础研究。
中国氢能协会    从事与氢能相关的学术活动,推动氢能研究、开发、推广及应用。组织国内与氢能有关的学术交流、展览会等,参加国际与氢能有关的学术交流、展览会等。
 
研究所
我国从事燃料电池技术研究开发的机构中,研究所是一支重要的力量。我国最早开展燃料电池技术研究的机构就是研究所。
表2:燃料电池研发机构—研究所
机构名称    主要研究和技术领域
中国科学院大连化学物理研究所    该所先后在碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接醇类燃料电池和质子交换膜燃料电池等诸多领域开展了大量的研发工作。该所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多研究,现已研制成工作面积为140cm2的单体电池,其输出功率达0.35W /cm2。于1994年开展了SOFC的研究工作,主要集中在电极和电解质材料的研究。2000年该所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。2002年研制成功200W级直接甲醇燃料电池组。近年来,该所研制了百千瓦级质子交换膜燃料电池发动机,并与清华大学等单位联合开发成功了燃料电池城市客车,另外,还研制了应用于笔记本电脑等家电领域的百瓦级直接醇类燃料电池。
中国科学院长春应用化学研究所    主要从事质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池的研究开发。该所于1990年开始研究PEMFC,工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100W PEMFC样机。1994年开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。90年代初该所开始了MCFC的研究,在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。
北京有色金属研究总院    从事氢储存技术和燃料电池相关材料的研究,进行PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统的研究。
中国科学院广州能源研究所    从事发酵沼气燃料电池系统的实用化研究,以及制氢和再生能源技术。
中国科学院上海硅酸盐研究所    固体氧化物燃料电池(SOFC)相关技术的研究,主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究,系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等,已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。
中国科学院上海有机化学研究所    研究质子交换膜燃料电池的关键材料与部件,2002年该所与上海同济科技实业股份有限公司和上海神力科技有限公司共同组建上海中科同力公司。

高等院校
高等院校是我国从事燃料电池技术研究开发的机构中另外一支重要的力量。高等院校不但自身进行燃料电池技术相关的研究,而且同时也培养了众多燃料电池技术方面的人才。
表3:燃料电池研发机构—高等院校
机构名称    主要研究和技术领域
清华大学    从事燃料电池客车和燃料电池发动机,氢的重整、存储、运输等研究开发。90年代初开展了SOFC的研究,利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究。1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2,改进石棉集流板的加工工艺,并提出列管式PEMFC的设计,与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。
同济大学    燃料电池轿车和加氢设施制造的研究开发。成功研制出“超越”系列燃料电池轿车,并且联合壳牌将于2006年底建成上海首座固定加氢站。
北京理工大学    1995年开始PEMFC的研究,单体电池的电流密度为150mA/cm2。近年来主要从事质子交换膜燃料电池电动汽车车辆技术的研发。
上海交通大学    主要从事质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等研究。研制成功了50kW级天然气熔融碳酸盐燃料电池发电系统,与泛亚汽车技术中心合作完成了“凤凰燃料电池展示车”等。
华中科技大学    从事固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池等及其相关材料,以及氢的存储等方面的研究。
华南理工大学    主要从事质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和固体氧化物燃料电池等研究。1992年开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池,用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2,电流密度为17mA/cm2,连续运转140h,电池性能无明显衰减。1997年开展了PEMFC的研究,其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。
天津大学    主用从事质子交换膜燃料电池的研究,1994年开展了PEMFC的研究,主要研究催化剂和电极的制备工艺。
中国科学技术大学    主要从事固体氧化物燃料电池的研究,1992年开始中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC,工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC,已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,还在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。
 
企业
近年来,我国众多企业纷纷投入到燃料电池相关技术的研究开发中来。其中,特别是民营高科技企业积极参与到燃料电池相关技术的研发工作和商业化工作。
表4:燃料电池研发机构—企业
机构名称    主要研究和技术领域
上海神力科技有限公司    专门从事质子交换膜燃料电池产品的研发与产业化,开发了5个系列的燃料电池产品,建立了全套的中小功率(0.1KW-30KW)与大功率(30KW-150KW)的质子交换膜燃料电池及其动力系统。公司产品主要有60-150kw城市大巴用燃料电池发动机或发电站,30-60kw轿车用燃料电池发动机或发电站,1-10kw车用燃料电池发动机,燃料电池游览车、发电站,1-150kw燃料电池堆,电池部件等。
上海燃料电池汽车动力系统有限公司    由上海汽车工业(集团)总公司、上海同济企业管理中心、上海科技投资公司、上海工业投资(集团)公司、信息产业部电子第二十一所及自然人共同出资成立,以开发?缍滴诵囊滴瘛A贤么笱Ш蜕掀殴餐ⅰ俺健毕盗腥剂系绯仄怠?
北京世纪富源燃料电池有限公司    主要研制质子交换膜电池。
北京飞驰绿能电源技术公司    以开发生产质子交换膜燃料电池为主。
大连新源动力股份有限公司    主要从事质子交换膜燃料电池技术的研发,承担国家“863”重大专项燃料电池电动轿车发动机技术开发及测试技术平台建设。
上汽汽车工业集团    主要从事燃料电池汽车,储氢系统的研究。
福建南平南孚电池有限公司    研制用于便携设备的直接醇类燃料电池(与大连化学物理研究所合作)。
上海中科同力化工材料有限公司    公司致力于研究质子交换膜燃料电池的关键材料与部件,包括质子交换膜、膜电极及流场板等。
上海永久股份有限公司    研究以燃料电池为动力的电动自行车和小型摩托车。
苏州小羚羊电动汽车公司    研制以燃料电池为动力的电动自行车。

7.5 氢燃料电池应用

    燃料电池可以分为3个引用应用领域:便携领域,固定领域与运输领域。现今的氢燃料电池研究主要集中在电动汽车领域及其相关设备的研究上。
    便携领域指的是那些可以移动的装置,比如辅助动力装置(APU)。固定领域指的是设于固定位置产生电力的装置,比如发电站。运输领域为那些提供车辆推进或者其他动力的装置。燃料电池系统多种多样,发电量小到1瓦大到百万千瓦,所以研究不但要从装置的出货数量考虑也要与他们产生的发电量的角度来考虑。研究燃料电池也要考虑其燃料与相关基础设施,涉及燃料与燃料电池的产品本身,贮藏与分发这几个方面
 军事上的应用
  军事应用应该是燃料电池最主要,也是最适合的市场。高效,多面性,使用时间长,以及宁静的工作,这些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置,从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。
  在军事上,微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性,其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外,对于燃料电池而言,添加燃料也是轻而易举的事情。
  同样,燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量,在进行下一次加油之前,车辆可以行驶得更远,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。自20世纪80年代以来,美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。
  移动装置上的应用
  伴随燃料电池的日益发展,它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命长,重量轻和充电方便等优点,比常规电池具有得天独厚的优势。
  如果要使燃料电池能在膝上型电脑,移动电话和摄录影机等设备中应用,其工作温度,燃料的可用性,以及快速激活将成为人们考虑的主要参数,目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示,这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作,不需要预先重整。
  使用甲醇,直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料,不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。当前,这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所需的白金催化剂的成本比较昂贵,其电力密度较低。如果这二个问题能够解决,应该说没有什麽问题能阻挡它们的广泛应用了。目前,美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话,而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。
居民家庭的应用


对于固定应用而言,设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多燃料电池能生产50 kW的电能,但绝大部分商业化的燃料电池目前都是用于固定的。现在,许多迹象表明,燃料电池也可用语人们称做的居民应用(大都小于50 kW)。
  低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前,这些燃料电池还不能供小型的应用,美国,日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大,然而后者的效率比前者高,且目前的生产成本也比前者便宜。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,通过设计可以满足居民对能源的所有要求,或者是他们的基本负载,高峰时的需求由电力网提供。

  为了有利于该技术的应用,可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前,许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉,这有助于进一步降低排放,加速燃料电池进入新的理想市场。新近进入固定燃料电池市场的厂家是汽车大亨General Motors,她于2001年8月成功地开发了一种产品。
  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安全可靠的能源,对燃料电池的研究给于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。
  General Electric生产的Grubb-Niedrach燃料电池是NASA用来为其Gemini航天项目提供动力的第一个燃料电池,也是第一次商业化使用燃料电池。
  从20世纪60年代起,飞机制造商Pratt & Whitney赢得了为阿波罗项目提供燃料电池的合同。Pratt & Whitney生产的燃料电池是基于对Bacon专利的碱性燃料电池的改进,这种低温燃料电池是最有效的燃料电池。在阿波罗飞船中,三组电池可产生1.5 kW或2.2 kW电力,并行工作,可供飞船短期飞行。每组电池重约114 kg,装填有低温氢和氧。在18次飞行中,这种电池共工作10,000小时,未发生一次飞行故障。
  在20世纪80年代航天飞机开始飞行时,Pratt & Whitney的姊妹公司国际燃料电池公司继续为NASA提供航天飞机使用的碱性燃料电池。飞船上所有的电力需求由3组12 kW的燃料电池存储器提供,勿需备用电池。国际燃料电池公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波罗飞船上同体积的燃料电池十倍的电力。以低温氢和氧为燃料,这种电池的效率为70%左右,在截至现在的100多次飞行中,这种电池共工作了80,000多个小时。
  固定的应用
  目前,燃料电池开发得最完善的市场要数热电的固定提供源市场。与传统的矿物燃料相比,燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有极大的吸引力。此外,燃料电池技术的独立性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,这种能源具有特殊的意义。鉴于这种电池的工作温度可低达80℃,它们可安装在私人家庭,小型的商业活动场所,甚至满足大型企业活动的所有能源需求。
  截至目前为止,可以说现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非居民的应用。当前唯一提供商业化燃料电池的国际燃料电池公司已在学校、办公室和银行设施安装了200多个磷酸燃料电池装置。在不久的将来,诸如溶化的碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也将用于大型的工业设施和兆瓦级的发电厂。当工作温度上升到600-1100℃时,这种高温燃料电池可以耐受氢污染源,因此可以使用未加重整的天然气,柴油,或汽油。此外,它们所产生的热能还可用来驱动增器蒸气气轮机再进行发电。
  运输上的应用
当前,以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源。在世界各地,国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆,燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。位于Alberta的Pembina适当设计研究所指出:当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时,其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。然而,如果用燃料电池代替内燃机,燃料电池技术不仅要符合立法对车辆排放的严格要求,还要能对终端用户提供同样方便灵活的运输解决方案。驱动车辆的燃料电池必须能迅速地达到工作温度,具有经济上的优势,并能提供稳定的性能。
  应该说质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求,其工作温度交低,80℃左右,它们能很快地达到所需的温度。由于能迅速地适应各种不同的需求,与内燃机的效率25%左右相比,它们的效率可高达60%。  Pembina研究所近来的研究表明,以甲醇为燃料的燃料电池,其燃料利用率是用汽油内燃机提供动力的车辆的1.76倍。在现有的燃料电池中,质子交换膜燃料电池的电力密度最大。当人们在车辆设计中重点考虑空间最大化时,这一因素则至关重要。另外,固态聚合物电解质能有助于减少潜在的腐蚀和安全管理问题。唯一的潜在问题是燃料的质量,为了避免在如此低温催化剂受到污染,质子交换膜燃料电池必须使用没污染的氢燃料。
  现在,大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者,General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda,以及其他许多公司都已生产出使用该技术的原型。在这一进程中,运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利,用质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验,明后二年(2002-2003),还有另外十个欧洲城市也将在公共汽车上进行试验,伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。
  在生产商能够有效地,大规模地生产质子交换膜燃料电池之前,需要解决的主要问题包括生产成本,燃料质量,以及电池的体积。但愿技术的进一步发展和扩大生产的共同作用将会运用经济的规模性而降低生产成本。目前,人们也在对直接使用甲醇为燃料和从环境空气中取得氧的另一解决方案进行研究,它也可以避免燃料的重整过程
7.6燃料电池的特点
7.6.1无污染
燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
7.6.2无噪声
燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。
7.6.3高效率
燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。
7.6.4区别
干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。
7.7氢燃料电池市场规模
产业规模将得到迅速扩大,到2030年车用燃料电池规模预期可以达到1200亿,行业将在未来十年迎来百倍增长。
■ 2017-2020,燃料电池产业处于商业化运营的导入期,产业在政府补贴扶持下实现盈利。同时燃料电池成本与氢气成本随着规模扩大而稳步下降,预计到2020年,系统成本可达到5000元/kW左右,富氢地区氢气售价可达30元/kg,燃料电池汽车产销量达到万辆。
■ 2021-2025,燃料电池进入快速增长期,产业在合理补贴退坡情况下实现盈利。到2025年系统成本达到2000元/kW,氢气售价降低到28元/kg,燃料电池汽车产销量达到25万辆。
■ 2026-2030,燃料电池进入爆发期,产业无需补贴可以实现内生性增长。到2030年系统成本不高于1000元/kW,氢气售价23元/kg,燃料电池汽车产销量达到169万辆,燃料电池应用拓展至乘用车,分布式热电联产也开始爆发。
燃料电池市场规模远期可达万亿级别。氢燃料电池的应用场景不仅仅是汽车,还可以应用于轮船、潜艇、分布式热电联产和备电系统等,基本可以应用于任何能源应用场景。我们认为氢能不仅是新能源的下一个确定性投资机会,更重要的是掀起能源革命,可以让国家实现能源自主。
7.8氢燃料电池技术成熟吗
目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用,商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面,目前电堆性能达到商业化需求。
■ 耐久性,乘用车领域,丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h;商用车领域,美国和伦敦均有燃料电池巴士运营时间超过3万小时,电堆没有大的维修或者。
■低温性能,可以应对全球绝大部分地区和气候,实现-30℃启动。
■燃料电池汽车驾驶性能媲美传统汽油车。以乘用车为例,最高车速普遍达到160km/h以上,续航在500km以上,氢气加满时间为3分钟,续航、百公里加速在10秒左右。


7.9中国为什么发展氢燃料电池?
中国发展氢燃料电池和锂电池战略意义一脉相承,具备3方面战略意义:
(1)减少石油依赖。中国石油对外依存度较高,2018年中国进口原油4.6亿吨,原油产量1.9亿吨,进口量和生产量之比为2.44;柴油消费辆高于汽油,2018年柴油表观消费量约为1.55亿吨,汽油表观消费量约为1.27亿吨。氢燃料电池的下游应用包括商用车、乘用车、火车、热电联产和备电系统等场景,基本覆盖所有日常需求,氢燃料电池的推广可以减少石油需求,改善能源结构。

(2)抓住下一代汽车动力技术。氢燃料电池汽车具备加氢快、无污染和长续航等优点,极有可能成为汽车的下一代动力来源。目前中日韩欧美等大国都有相应技术储备,车企巨头也在不断推出燃料电池汽车产品。
(3)减少污染,燃料电池运营时候排放物是水,无污染;制造和回收过程污染非常小。

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13812683169 2020-05-05


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