伴隨著各國發(fā)布禁燃油車時刻表，各家車企都陸續(xù)暫停或者放緩了內(nèi)燃機的研發(fā)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(yōu)越的性能和效率已經(jīng)較低的使用成本，在低里程的場景有著極大的優(yōu)勢，但是在現(xiàn)階段的復雜應(yīng)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(wǎng)的重要途徑。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)估，到2025年中國燃料電池產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達1萬億元。

全球首部商業(yè)販售的氫氣燃料電池汽車-豐田Mira

近年來，中國氫燃料電池行業(yè)受到各級政府的高度重視和國家產(chǎn)業(yè)政策的重點支持。隨著國家陸續(xù)出臺多項政策，將鼓勵氫燃料電池行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新，為氫燃料電池行業(yè)的發(fā)展提供了良好的政策保障，促進氫燃料電池快速發(fā)展。

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(zhàn)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(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》提出重點推進氫燃料電池中重型車輛應(yīng)用，有序拓展氫燃料電池等新能源客、貨汽車市場應(yīng)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(fā)展模式，促進氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展。規(guī)劃提到到2025年，基本掌握核心技術(shù)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(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系；到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。

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(zhì)等電池主要部件，但細看發(fā)現(xiàn)與一般電池不同之處在于其正負極本身并無活性物質(zhì)，負極(燃料電極)和正極(氧化劑電極)只是進行電極反應(yīng)的催化轉(zhuǎn)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(yīng)物燃料氫(H₂)和氧化劑氧(O₂)分別由外部供給進行反應(yīng)，原則上只要將這些反應(yīng)物氫(H₂)和氧(O₂)不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)直接產(chǎn)生電能，相當于一個小型發(fā)電裝置(主要包括雙極板、電解質(zhì)、擴散層、催化劑)，所以，燃料電池更象是一個“發(fā)電廠”，也可以認為是一種持續(xù)的“一次電池”。

根據(jù)電解質(zhì)和燃料的不同，燃料電池分為六類：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，采用極薄的塑料膜作為電解質(zhì))、直接甲醇燃料電池(DMFC，屬于質(zhì)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(fā)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(zhì))、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(zhì))、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(zhì))。雖然燃料電池技術(shù)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(shù)產(chǎn)業(yè)化仍然面臨一系列挑戰(zhàn)，下文一起來盤點一下不用類型的燃料電池特點及應(yīng)用。

二、燃料電池類型及特點

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

質(zhì)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(zhì)，所以也叫聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)、同體聚合物燃料電池(SPFC)或固體聚合物電解質(zhì)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(zhì)、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(shù)路線。相較其它技術(shù)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(jù)需要靈活調(diào)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(xiàn)高溫型技術(shù)路線，其原理為將水基電解質(zhì)變成無機酸基電解質(zhì)，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(shù)，由美國NASA和噴氣式推進實驗室在90年代發(fā)現(xiàn)。與PEMFC電池一樣需要使用聚合物膜作為電解質(zhì)，不同點為其采用鉑-釕催化劑，燃料可以是氫也可以是液態(tài)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(yīng)用方向為電子產(chǎn)品、移動充電寶、物料搬運車等領(lǐng)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(zhì)(例如氧化鋯-氧化釔，當然，這不是唯一的選項。更多請看相關(guān)相關(guān)閱讀:固體氧化物燃料電池—電解質(zhì)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(zhuǎn)換效率超過60%，如果放出的熱量能夠被回收利用，轉(zhuǎn)化率則可高達80%。但受限于啟動時間長，很難應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

固體燃料電池在大型、小型固定式熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站中應(yīng)用較多，例如Bloom的100kW離網(wǎng)發(fā)電站。此外，輸出功率kW級的管狀固體燃料電池還成功應(yīng)用在便攜式充電裝置領(lǐng)域。

4、堿性燃料電池(AFC)

堿性燃料電池(AFC)由英國發(fā)明家法蘭西斯·湯瑪士·培根（FrancisThomasBacon）所發(fā)明，以碳為電極，并使用氫氧化鉀為電解質(zhì)，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(fā)射及人工衛(wèi)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(zhuǎn)換效率為所有燃料電池中最高的，最高可達70%，其優(yōu)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(zhì)，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(yīng)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(zhì)接觸，會嚴重影響發(fā)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(fā)用于天然氣、沼氣（由厭氧消化或生物質(zhì)氣化產(chǎn)生）和用于電力、工業(yè)和軍事應(yīng)用的煤基發(fā)電廠。MCFC是高溫燃料電池，其電解質(zhì)由懸浮在多孔、化學惰性的β-氧化鋁陶瓷基質(zhì)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(zhì)膜燃料電池不同，MCFC不需要外部重整器將燃料轉(zhuǎn)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(nèi)轉(zhuǎn)化為氫氣，大大也降低了成本。

MCFC技術(shù)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(zhì)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(yōu)化燃料電池設(shè)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(shù)，PAFC采用磷酸或磷酸基電解質(zhì)，能有效減少鉑催化劑(運行溫度180℃左右)中毒，但發(fā)電效率較低，當熱電聯(lián)產(chǎn)時效率可達80%。主要應(yīng)用在功率100~400kW的固定式發(fā)電站中，也有少量應(yīng)用在大型汽車中。

參考來源：

1、燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析；馮丹，董仕寶，宗營，(解放軍空軍勤務(wù)學院)

粉體圈編輯：Alpha

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責任。