燃料電池發展現狀與分析*

胡小芳，薛秀麗

燃料電池發展現狀與分析*

胡小芳，薛秀麗*

（云南機電職業技術學院汽車技術工程系，云南 昆明 650203）

文章介紹了燃料電池概況、原理、分類和應用現狀，以及對未來燃料電池發展的展望。

燃料電池；分類；燃料電池現狀

引言

隨著社會的進步，人類對車輛的需求越來越大，但傳統汽車給環境帶來污染不可避免，以及能源短缺現象，世界各國對清潔無污染的能源技術密切關注。而新型交通工具新能源汽車作為以非常規的車用燃料作為動力來源，具有零污染、零排放、舒適度高、資源消耗低等很多優勢。新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車、其他新能源汽車等[1]。在當前新能源汽車競爭中，燃料電池汽車發展前景十分美好，能促進我國汽車行業整體發展與進步。《中國制造2025》中提出：“到2025年，燃料電池堆系統可靠性和經濟性大幅提高，和傳統汽車、電動汽車相比具有一定的市場競爭力，實現批量生產和市場化推廣”，這為我國燃料電池行業發展提供了政策保障[2]。

1 燃料電池

1.1 燃料電池概況

目前各國對能源需求不斷擴大，然而環境惡化也是事實，所以開發燃料電池這種潔凈能源技術顯得極其重要[2]。燃料電池汽車（FCV）和傳統內燃機汽車相比，不受傳統電池技術限制，其高效率和近零排放等特點，被認為是發展前景最廣闊的一種新型汽車，燃料電池電動汽車實質上是純電動汽車的一種，和純電動汽車區別在于其動力電池的工作原理。燃料電池是通過電化學反應把燃料中的化學能直接轉化為電能的發電裝置的統稱。燃料電池內部反應過程的本質是氧化還原反應，燃料通過陽極側進入，空氣或氧氣通過陰極側進入，二者在電解質兩側分別發生氫氧化反應與氧化還原反應，電子流經外電路做功，從而產生電能[3]。

圖1 燃料電池工作原理圖

氫—氧燃料電池反應過程：

負極：

H2+2OH-——2H2O+2e-（1）

正極：

1/2O2+ H2O+2e-——2OH-（2）

工作原理圖如圖1所示。

1.2 燃料電池分類

根據電解質的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、和質子交換膜燃料電池（PEMFC）五種[4]。固體氧化物燃料電池(SOFC)燃料為天然氣、甲醇、煤氣，其氧化劑為氧氣，極板材料為不銹鋼，電解質沒有腐蝕性，其發電效率為55-70%，工作溫度約1000℃，優點為用空氣作為氧化劑，用天然氣和甲烷作為燃料，但其工作溫度較高，一般用于特殊需求。堿性燃料電池（AFC）燃料為純氫，氧化劑為純雙氧水，工作溫度低于260℃，發電效率為50-60%，其優點為啟動快，室內常溫下工作，其缺點為需要純氧作為氧化劑、成本高，主要應用與航天領域。磷酸燃料電池（PAFC）燃料為天然氣、油、甲醇等，氧化劑為空氣，電解質腐蝕性強，工作溫度溫度范圍在1-210℃，發電率為40-50%，優點為對二氧化碳不敏感，成本相對較低，缺點為對一氧化碳敏感，起動慢，成本高，主要應用于特殊地面。熔融碳酸鹽燃料電池燃料為天然氣、甲醇、煤氣，氧化劑為空氣，電解質腐蝕性強，工作溫度范圍為600-700℃，發電效率高達65%，其最大優點能用空氣做氧化劑和能用天然氣或甲烷做燃料，但其工作溫度很高，其主要用于潛艇。質子交換膜燃料電池用天然氣、甲醇等作為燃料，空氣為氧化劑，其電解質沒有腐蝕性，工作溫度約85℃，發電率達40%，其用空氣作為氧化劑，室內工作時，其啟動迅速，但其對一氧化碳非常敏感，發生反應時，需對反應物加濕，主要應用領域為區域供電。

2 燃料電池應用現狀

燃料電池的產業鏈分為上游材料、中游組裝和下游應用，上游材料包括了氫氣供應（氫氣的生產、氫氣的運輸和充氣機）和電池組件，電池組件包括了氫氣存儲設備及配件和燃料電池堆，燃料電池堆包括了質子交換膜、反應催化劑、電解質、雙極板、氣體擴散層和密封件等。而電池中游組裝即燃料電池系統。下游應用領域包括了便攜式電源、交通運輸設備及固定式發電裝置。

目前各國相繼出臺支持燃料電池產業發展政策，中國在《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，提出要推進燃料電池汽車研發與產業化，到2020年，實現燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用[2]。中國、美國、日本將會加大對燃料電池的研究，燃料電池產業增長速度迅速，全球燃料電池按功率出貨情況來看，從2012年至2018年，累計出貨量年復合增長率為32%。下游應用情況分化明顯，無論從功率規模占比還是系統銷量來看，下游應用中交通運輸設備在電池銷量中占比比較大，在五種燃料電池中，質子交換膜電池銷量最高。

2018年國家發布的《關于調整新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》中，主要內容為燃料電池汽車補貼力度保持不變，燃料電池乘用車按燃料電池系統的額定功率進行補貼，燃料電池客車和專用車采用定額補貼方式[2]。中國對燃料電池產業的補貼政策持續推進，大大推動了燃料電池整個行業的發展。中國燃料電池市場越來越廣闊，國內新能源汽車銷售增長速度快，而隨著技術的不斷提升，燃料電池新能源汽車將會是商用價值最高的新型汽車。與國外相比，中國燃料電池和國外仍有一定差距，還處于用戶認定階段，但隨著中國技術的不管進步，未來國內燃料電池行業將會高速發展。

3 展望

新能源汽車細分種類繁多，中國新能源汽車推廣效果明顯，但目前還是以插電混合、純電動為主，而氫能源汽車正快速發展，預測到2030年，其產業產值有望突破萬億元大關。國家政策的不管鼓勵，鼓勵支持龍頭企業對燃料電池核心技術研究開發，擴大燃料電池應用。在制氫技術、儲氫技術、輸氫體系、燃料電池經濟性等方面不斷突破。隨著國家技術的不斷突破和政策的不斷推進，燃料電池市場前景廣闊。

4 結語

燃料電池具有發電效率高、噪音低、能量轉換率高、燃料多樣性、負荷響應快、氧化氮和氧化硫等排出量少、環境相容性優、燃料范圍廣、可靠性高等優點。隨著國家政策的大力扶持和國家對環境保護的各項要求，這將推進我國燃料電池技術的不斷突破，推動中國燃料電池行業不斷向前發展。

[1] 劉賢濤.國內外車用燃料電池研究現狀及思考[J].現代商貿工業, 2019（10）:189-191.

[2] 中國商業研究院.2019年燃料電池市場前景研究報告[J].電器工業,2019（4）:23-31.

[3] 陳瞳,周宇昊,張海珍等.氫燃料電池發展現狀和趨勢[J].節能,2019（6）:158-160.

[4] 趙佳駿,王培紅.主流燃料電池技術發展現狀與趨勢[J].上海節能, 2015（4）:199-203.

Development status and Analysis of fuel Cell*

Hu Xiaofang, Xue Xiuli*

( Department of Automotive Technology, Yunnan Institute of Mechanical and Electrical Technology, Yunnan Kunming 650203 )

This paper introduces the general situation, principle, classification and application status of fuel cell, as well as the prospect of fuel cell development in the future.

Fuel cell; Classification; Fuel cell status quo

A

1671-7988(2019)21-34-02

胡小芳，就職于云南機電職業技術學院汽車技術工程系。

薛秀麗，男，講師，就職于云南機電職業技術學院汽車技術工程系，主要從事新能源汽車方向。

U469.7

A

1671-7988(2019)21-34-02

云南省教育廳科學研究基金項目，項目編號2018JS534。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.011

CLC NO.:U469.7