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邹小(xiao)姐：13326633089 -
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伴随(sui)着(zhe)各国发布禁燃油车时刻表，各家车企都陆续(xu)暂停(ting)或者放缓了内燃机的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研发工(gong)作，开始走向纯(chun)电动车和燃料电池(chi)(chi)车的(de)(de)(de)(de)(de)(de)道路。纯(chun)电动(BEV)以其优越(yue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能和效率已经较低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)成本，在低里(li)程的(de)(de)(de)(de)(de)(de)场(chang)景有(you)着(zhe)极大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)优势(shi)，但是(shi)在现阶(jie)段(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)复(fu)杂应(ying)用(yong)场(chang)景中，在低温、长(zhang)里(li)程、快(kuai)速(su)加燃料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)场(chang)景中，需要燃料电池(chi)(chi)(FCV)来补充，同时储氢长(zhang)期来讲是(shi)缓冲国家电网的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要途径(jing)。据中(zhong)国(guo)氢能联(lian)盟预(yu)估，到2025年(nian)中(zhong)国(guo)燃料电池产业产值将达1万亿元。
全球首(shou)部(bu)商业贩(fan)售的氢气燃料(liao)电池汽车-丰田(tian)Mira
近(jin)年来，中国(guo)氢(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)池(chi)行业(ye)受到各(ge)级政(zheng)(zheng)府的(de)高(gao)度重视和国(guo)家产业(ye)政(zheng)(zheng)策的(de)重点支(zhi)持。随着国(guo)家陆续出台(tai)多项政(zheng)(zheng)策，将鼓励(li)氢(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)池(chi)行业(ye)发(fa)展与创新，为氢(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)池(chi)行业(ye)的(de)发(fa)展提供了良好(hao)的(de)政(zheng)(zheng)策保障，促进氢(qing)燃料(liao)(liao)电(dian)池(chi)快速发(fa)展。
我国(guo)2001年(nian)启(qi)动(dong)的(de)863计划(hua)-电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)车(che)重(zhong)大专项中(zhong)就确定了三纵三横战略，其中(zhong)三纵包括纯(chun)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)、混合电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)、燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)汽车(che)。2022年(nian)3月23日(ri)，国(guo)家(jia)发改委、国(guo)家(jia)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)局联(lian)合印发的(de)《氢(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)(neng)产业发展(zhan)中(zhong)长期规划(hua)(2021-2035年(nian))》提(ti)出重(zhong)点推进氢(qing)(qing)(qing)燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)中(zhong)重(zhong)型车(che)辆(liang)应(ying)(ying)用，有序拓展(zhan)氢(qing)(qing)(qing)燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)等新能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)客、货汽车(che)市场应(ying)(ying)用空(kong)间，逐步(bu)建(jian)立燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)汽车(che)与(yu)锂电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)纯(chun)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动(dong)汽车(che)的(de)互补发展(zhan)模(mo)式，促进氢(qing)(qing)(qing)燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)汽车(che)行业发展(zhan)。规划(hua)提(ti)到(dao)到(dao)2025年(nian)，基本掌握(wo)核心技(ji)术(shu)和制造(zao)工(gong)艺，燃料(liao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)车(che)辆(liang)保有量(liang)约5万(wan)辆(liang)；到(dao)2030年(nian)，形(xing)成(cheng)(cheng)较(jiao)为完(wan)备的(de)氢(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)(neng)产业技(ji)术(shu)创新体系；到(dao)2035年(nian)，形(xing)成(cheng)(cheng)氢(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)(neng)产业体系，构建(jian)涵盖交通、储能(neng)(neng)(neng)(neng)、工(gong)业等领域的(de)多(duo)元氢(qing)(qing)(qing)能(neng)(neng)(neng)(neng)应(ying)(ying)用生态。
一、燃(ran)料电池简(jian)介(jie)
燃(ran)(ran)料电(dian)池(chi)乍看(kan)与一般(ban)电(dian)池(chi)相似，也有正负(fu)极(ji)和电(dian)解质等电(dian)池(chi)主要(yao)部件，但细看(kan)发现(xian)与一般(ban)电(dian)池(chi)不同(tong)之(zhi)处在于其(qi)正负(fu)极(ji)本身并无活性(xing)物(wu)质，负(fu)极(ji)(燃(ran)(ran)料电(dian)极(ji))和正极(ji)(氧(yang)化剂电(dian)极(ji))只(zhi)是进(jin)行电(dian)极(ji)反(fan)应(ying)的(de)催化转(zhuan)换载(zai)体(ti)，它一般(ban)以氢(qing)(qing)气、碳、甲醇、硼氢(qing)(qing)化物(wu)、煤气或天(tian)然气等燃(ran)(ran)料作(zuo)为负(fu)极(ji)，用空气中的(de)氧(yang)作(zuo)为正极(ji)。以氢(qing)(qing)氧(yang)燃(ran)(ran)料电(dian)池(chi)为例，当电(dian)池(chi)工作(zuo)时，反(fan)应(ying)物(wu)燃(ran)(ran)料氢(qing)(qing)(H2)和(he)氧化剂氧(O2)分别由外部供给进行反应，原则(ze)上只要将这些反应物氢(qing)(H2)和(he)氧(O2)不断输入(ru)，反应(ying)产物水(H2O)不(bu)断(duan)(duan)排除，燃料电池就能源源不(bu)断(duan)(duan)地输出(chu)电来。燃(ran)料电(dian)池通过燃(ran)料的电(dian)化(hua)学(xue)反应直接产生电(dian)能，相当于一(yi)个小型(xing)发电(dian)装(zhuang)置(主要包括双极板、电解质、扩(kuo)散(san)层(ceng)、催化(hua)剂)，所以(yi)，燃料(liao)电池更(geng)象是一(yi)个“发电厂”，也可以(yi)认(ren)为(wei)是一(yi)种持(chi)续的(de)“一(yi)次电池”。
根据电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)(zhi)和燃(ran)料(liao)的(de)不同，燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池分为六类：质(zhi)(zhi)子交换(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(PEMFC，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)极(ji)薄的(de)塑料(liao)膜(mo)作为电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)(zhi))、直接(jie)甲(jia)醇燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(DMFC，属于(yu)质(zhi)(zhi)子交换(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池中的(de)一类。直接(jie)使(shi)用(yong)(yong)(yong)甲(jia)醇水(shui)溶液(ye)(ye)或(huo)蒸汽甲(jia)醇为燃(ran)料(liao)供(gong)给(ji)来源。而不需(xu)要通过甲(jia)醇，汽油和天然气(qi)的(de)重(zhong)整以供(gong)发(fa)电(dian)(dian))、固(gu)体(ti)氧化物(wu)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(SOFC，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)固(gu)体(ti)氧化物(wu)陶瓷作为电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)(zhi))、碱性(xing)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(AFC，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)氢氧化钾溶液(ye)(ye)作为电(dian)(dian)解(jie)液(ye)(ye))、熔融碳(tan)酸盐燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(MCFC，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)熔融碳(tan)酸盐作为其电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)(zhi))、磷酸燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(PAFC，采用200摄氏(shi)度高(gao)温下的液(ye)体(ti)磷酸(suan)作(zuo)为(wei)其电解质)。虽然(ran)燃料电(dian)池技术已(yi)日趋成熟完善，各(ge)国政府(fu)也从(cong)政策上大力支持，但燃料电(dian)池技术产业(ye)化仍然(ran)面临一系(xi)列(lie)挑战，下文一起来(lai)盘(pan)点(dian)一下不(bu)用(yong)类型的(de)燃料电(dian)池特点(dian)及应用(yong)。
二、燃料电池类型及特点
1、质子交换膜燃料电池(PEMFC)
质(zhi)子交换膜燃料电池(chi)(PEMFC)采用可(ke)传导离子的聚合膜(极(ji)薄的塑(su)料(liao)膜)作(zuo)为电解(jie)质，所以也叫聚(ju)合物电解(jie)质燃料(liao)电池(PEFC)、同体(ti)(ti)聚(ju)合物燃料(liao)电池(SPFC)或固体(ti)(ti)聚(ju)合物电解(jie)质燃料(liao)电池(SPEFC)。
PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作(zuo)(zuo)为(wei)电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)、铂作(zuo)(zuo)为(wei)催(cui)化剂(ji)，是当前燃料电(dian)(dian)动汽(qi)车和物料搬运车的首选技(ji)术路线。相(xiang)较(jiao)其它技(ji)术路线，其特(te)点为(wei)运行温度相(xiang)对(dui)较(jiao)低(di)(di)(一(yi)般低(di)(di)于100℃)，同时可以根据需(xu)(xu)要(yao)灵活调整电(dian)(dian)堆(dui)输(shu)出功率。但因相(xiang)对(dui)低(di)(di)的启动温度并采(cai)用贵金属基(ji)电(dian)(dian)极(ji)，这类(lei)电(dian)(dian)池必须使用高(gao)纯度的氢。为(wei)克服高(gao)纯度氢气需(xu)(xu)求(qiu)限制，目前PEMFC出现高(gao)温型技(ji)术路线，其原理(li)为(wei)将水基(ji)电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)变(bian)成无机(ji)酸基(ji)电(dian)(dian)解(jie)质(zhi)，该(gai)类(lei)电(dian)(dian)池运行温度可以高(gao)达200℃，对(dui)氢气的纯度要(yao)求(qiu)较(jiao)低(di)(di)，但又有(you)能量密度较(jiao)低(di)(di)的弊(bi)端。
2、直接甲(jia)醇燃(ran)料电(dian)池(DMFC)
直(zhi)接(jie)甲(jia)(jia)醇(chun)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(chi)DMFC是相(xiang)对(dui)较(jiao)新的(de)技术，由美国NASA和喷气式(shi)推进实验室(shi)在90年代(dai)发现。与(yu)PEMFC电(dian)(dian)池(chi)一(yi)样需要(yao)使用(yong)(yong)聚(ju)合(he)物膜作为(wei)电(dian)(dian)解质，不(bu)同(tong)点为(wei)其(qi)采用(yong)(yong)铂-钌催(cui)化剂，燃(ran)料(liao)可以(yi)(yi)是氢也可以(yi)(yi)是液态甲(jia)(jia)醇(chun)，因此被称作直(zhi)接(jie)甲(jia)(jia)醇(chun)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(chi)。甲(jia)(jia)醇(chun)具有相(xiang)对(dui)高的(de)能量密(mi)度，很容易运输和存储(chu)。基于其(qi)运行温度60~130℃，效率60%左(zuo)右，直(zhi)接(jie)甲(jia)(jia)醇(chun)燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池(chi)主(zhu)要(yao)应用(yong)(yong)方向(xiang)为(wei)电(dian)(dian)子产品、移动充(chong)电(dian)(dian)宝、物料(liao)搬(ban)运车等领域。
3、固体(ti)氧化物燃料电池(SOFC)
固(gu)体(ti)氧(yang)化物燃料电池SOFC采用固(gu)体(ti)陶瓷(ci)作(zuo)为(wei)电解质(例(li)如氧(yang)化锆-氧(yang)化钇，当然(ran)，这不是(shi)唯一的选项。更多请(qing)看(kan)相关相关阅(yue)读(du):)，运行(xing)温(wen)度(du)非(fei)常(chang)高，最高运行(xing)温(wen)度(du)高达800-1000℃，对铂催化(hua)剂(ji)依赖较小，可采用(yong)(yong)多(duo)种碳氢化(hua)合物燃料(甲烷(wan)、煤气(qi)等)。其能量(liang)转换(huan)效率超(chao)过60%，如果放出的热(re)量(liang)能够被回收利(li)用(yong)(yong)，转化(hua)率则可高达80%。但受(shou)限于启动时间长(zhang)，很难应用(yong)(yong)于汽(qi)车领域。
固体燃料电(dian)池(chi)在(zai)大(da)型、小(xiao)型固定式(shi)热(re)电(dian)联产发电(dian)站中应用较多(duo)，例如Bloom的100kW离网发电(dian)站。此外，输出(chu)功率kW级的管状固体燃料电(dian)池(chi)还成功应用在(zai)便携式(shi)充电(dian)装置领域。
4、碱性燃料电(dian)池(AFC)
碱性燃料(liao)电(dian)池(chi)(AFC)由英国发明家法兰西斯·汤玛士·培根（FrancisThomasBacon）所发明，以碳(tan)为(wei)电(dian)极，并(bing)使用氢氧化钾为(wei)电(dian)解(jie)质，要求高(gao)纯度氢，操作(zuo)温(wen)度(du)(du)约为摄(she)氏(shi)100~250度(du)(du)（最新的碱性燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池操作(zuo)温(wen)度(du)(du)约为摄(she)氏(shi)23~70度(du)(du)）。NASA早(zao)在1960年时便开始将它(ta)运用(yong)在穿梭机的发射及人工卫星上，包(bao)括(kuo)著名的阿波罗(luo)计划也使(shi)用(yong)这(zhei)种燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池。AFC的电(dian)(dian)能转换(huan)效(xiao)率为所有燃(ran)料(liao)电(dian)(dian)池中最高的，最高可达70%，其优(you)点是可采用(yong)非贵金(jin)属作(zuo)为催化(hua)剂(镍(nie)最常见)。
由于(yu)碱性燃料电(dian)(dian)(dian)池是以氢(qing)氧(yang)化(hua)(hua)钾(jia)作(zuo)为(wei)电(dian)(dian)(dian)解质，因此若由进气(qi)口中(zhong)进入电(dian)(dian)(dian)池的(de)气(qi)体(ti)中(zhong)含(han)有(you)二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)，氢(qing)氧(yang)化(hua)(hua)钾(jia)会与(yu)二(er)氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)反应(ying)形成碳(tan)酸钾(jia)，碳(tan)酸钾(jia)则会堵住碳(tan)电(dian)(dian)(dian)极(ji)上的(de)孔，氢(qing)气(qi)或氧(yang)气(qi)无法(fa)与(yu)电(dian)(dian)(dian)解质接触，会严重影响发电(dian)(dian)(dian)效(xiao)率。
5、熔融碳酸盐燃料(liao)电池(chi)(MCFC)
熔(rong)(rong)融(rong)碳(tan)(tan)酸(suan)盐燃(ran)料(liao)(liao)电池(MCFC)是在600°C及以(yi)(yi)上温(wen)度(du)下(xia)运行的(de)(de)(de)(de)高(gao)温(wen)燃(ran)料(liao)(liao)电池。熔(rong)(rong)融(rong)碳(tan)(tan)酸(suan)盐燃(ran)料(liao)(liao)电池(MCFC)开发(fa)用于天然气(qi)、沼气(qi)（由厌氧消化(hua)或生(sheng)物质气(qi)化(hua)产生(sheng)）和用于电力、工业和军事应用的(de)(de)(de)(de)煤基(ji)发(fa)电厂。MCFC是高(gao)温(wen)燃(ran)料(liao)(liao)电池，其电解(jie)质由悬浮在多孔、化(hua)学惰性的(de)(de)(de)(de)β-氧化(hua)铝陶(tao)瓷基(ji)质中的(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)融(rong)碳(tan)(tan)酸(suan)盐混合物(包括碳(tan)(tan)酸(suan)锂、碳(tan)(tan)酸(suan)钾(jia)及碳(tan)(tan)酸(suan)锂)组(zu)成。由于它们在600°C及以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)(de)极(ji)(ji)高(gao)温(wen)度(du)下(xia)工作，因(yin)此非贵重金(jin)属可(ke)以(yi)(yi)用作阳极(ji)(ji)和阴极(ji)(ji)催化(hua)剂(ji)，从(cong)而(er)降低成本(ben)。
提高(gao)(gao)效(xiao)率(lv)(lv)是MCFC比磷酸(suan)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)电(dian)池(chi)(chi)(chi)(PAFC)显着降低成本(ben)的(de)(de)(de)另一个原(yuan)因(yin)。熔融碳酸(suan)盐燃(ran)(ran)(ran)料(liao)电(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)可以达(da)到接近60%，大(da)(da)大(da)(da)高(gao)(gao)于磷酸(suan)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)电(dian)池(chi)(chi)(chi)工(gong)厂37-42%的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)。当余热被捕获(huo)和使用时，整体燃(ran)(ran)(ran)料(liao)效(xiao)率(lv)(lv)可高(gao)(gao)达(da)85%。与碱性、磷酸(suan)和聚合物(wu)电(dian)解质膜(mo)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)电(dian)池(chi)(chi)(chi)不同，MCFC不需要外部重(zhong)整器将(jiang)燃(ran)(ran)(ran)料(liao)转化为氢(qing)气，利用MCFC运行(xing)时的(de)(de)(de)高(gao)(gao)温，这(zhei)些燃(ran)(ran)(ran)料(liao)可以在燃(ran)(ran)(ran)料(liao)电(dian)池(chi)(chi)(chi)内转化为氢(qing)气，大(da)(da)大(da)(da)也降低了成本(ben)。
MCFC技术的(de)主要缺(que)点是耐用(yong)性。这些电池运行的(de)高温和(he)使用(yong)的(de)腐蚀性电解质会加速组件的(de)损(sun)坏和(he)腐蚀，从而缩短电池寿(shou)命。科学家们目前(qian)正在探索用(yong)于(yu)组件的(de)耐腐蚀材料以(yi)及(ji)优化燃料电池设计，以(yi)提高电池使用(yong)寿(shou)命。
6、磷酸燃料(liao)电(dian)池(PAFC)
作为(wei)2001年(nian)之前的主流燃料电(dian)池(chi)技(ji)术，PAFC采用(yong)磷酸(suan)或磷酸(suan)基电(dian)解质(zhi)，能有效(xiao)减少铂催(cui)化(hua)剂(ji)(运行(xing)温度180℃左右)中(zhong)毒(du)，但发电(dian)效(xiao)率较低，当热电(dian)联产时效(xiao)率可达(da)80%。主要应用(yong)在功(gong)率100~400kW的固定式发电(dian)站中(zhong)，也有少量应用(yong)在大型汽车中(zhong)。
参考(kao)来(lai)源：
1、燃料电池产业(ye)发(fa)展现状(zhuang)及趋势(shi)分析；冯丹，董(dong)仕宝(bao)，宗营，(解(jie)放军(jun)空(kong)军(jun)勤务学院)
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