燃料电池发展现状与分析

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摘 要：文章介绍了燃料电池概况、原理、分类和应用现状，以及对未来燃料电池发展的展望。关键字：燃料电池;分类;燃料电池现状中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）21-34-02

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 ）

Abstract： 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.Keywords： Fuel cell; Classification; Fuel cell status quoCLC NO.： U469.7  Document Code： A   Article ID： 1671-7988（2019）21-34-02

引言

随着社会的进步，人类对车辆的需求越来越大，但传统汽车给环境带来污染不可避免，以及能源短缺现象，世界各国对清洁无污染的能源技术密切关注。而新型交通工具新能源汽车作为以非常规的车用燃料作为动力来源，具有零污染、零排放、舒适度高、资源消耗低等很多优势。新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电動汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等^[1]。在当前新能源汽车竞争中，燃料电池汽车发展前景十分美好，能促进我国汽车行业整体发展与进步。《中国制造2025》中提出：“到2025年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广”，这为我国燃料电池行业发展提供了政策保障^[2]。

1 燃料电池

1.1 燃料电池概况

目前各国对能源需求不断扩大，然而环境恶化也是事实，所以开发燃料电池这种洁净能源技术显得极其重要^[2]。燃料电池汽车（FCV）和传统内燃机汽车相比，不受传统电池技术限制，其高效率和近零排放等特点，被认为是发展前景最广阔的一种新型汽车，燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种，和纯电动汽车区别在于其动力电池的工作原理。燃料电池是通过电化学反应把燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置的统称。燃料电池内部反应过程的本质是氧化还原反应，燃料通过阳极侧进入，空气或氧气通过阴极侧进入，二者在电解质两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子流经外电路做功，从而产生电能^[3]。

1.2 燃料电池分类

根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、和质子交换膜燃料电池（PEMFC）五种^[4]。固体氧化物燃料电池（SOFC）燃料为天然气、甲醇、煤气，其氧化剂为氧气，极板材料为不锈钢，电解质没有腐蚀性，其发电效率为55-70%，工作温度约1000℃，优点为用空气作为氧化剂，用天然气和甲烷作为燃料，但其工作温度较高，一般用于特殊需求。碱性燃料电池（AFC）燃料为纯氢，氧化剂为纯双氧水，工作温度低于260℃，发电效率为50-60%，其优点为启动快，室内常温下工作，其缺点为需要纯氧作为氧化剂、成本高，主要应用与航天领域。磷酸燃料电池（PAFC）燃料为天然气、油、甲醇等，氧化剂为空气，电解质腐蚀性强，工作温度温度范围在1-210℃，发电率为40-50%，优点为对二氧化碳不敏感，成本相对较低，缺点为对一氧化碳敏感，起动慢，成本高，主要应用于特殊地面。熔融碳酸盐燃料电池燃料为天然气、甲醇、煤气，氧化剂为空气，电解质腐蚀性强，工作温度范围为600-700℃，发电效率高达65%，其最大优点能用空气做氧化剂和能用天然气或甲烷做燃料，但其工作温度很高，其主要用于潜艇。质子交换膜燃料电池用天然气、甲醇等作为燃料，空气为氧化剂，其电解质没有腐蚀性，工作温度约85℃，发电率达40%，其用空气作为氧化剂，室内工作时，其启动迅速，但其对一氧化碳非常敏感，发生反应时，需对反应物加湿，主要应用领域为区域供电。

2 燃料电池应用现状

燃料电池的产业链分为上游材料、中游组装和下游应用，上游材料包括了氢气供应（氢气的生产、氢气的运输和充气机）和电池组件，电池组件包括了氢气存储设备及配件和燃料电池堆，燃料电池堆包括了质子交换膜、反应催化剂、电解质、双极板、气体扩散层和密封件等。而电池中游组装即燃料电池系统。下游应用领域包括了便携式电源、交通运输设备及固定式发电装置。

目前各国相继出台支持燃料电池产业发展政策，中国在《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出要推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用^[2]。中国、美国、日本将会加大对燃料电池的研究，燃料电池产业增长速度迅速，全球燃料电池

按功率出货情况来看，从2012年至2018年，累计出货量年复合增长率为32%。下游应用情况分化明显，无论从功率规模占比还是系统销量来看，下游应用中交通运输设备在电池销量中占比比较大，在五种燃料电池中，质子交换膜电池销量最高。

2018年国家发布的《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》中，主要内容为燃料电池汽车补贴力度保持不变，燃料电池乘用车按燃料电池系统的额定功率进行补贴，燃料电池客车和专用车采用定额补贴方式^[2]。中国对燃料电池产业的补贴政策持续推进，大大推动了燃料电池整个行业的发展。中国燃料电池市场越来越广阔，国内新能源汽车销售增长速度快，而随着技术的不断提升，燃料电池新能源汽车将会是商用价值最高的新型汽车。与国外相比，中国燃料电池和国外仍有一定差距，还处于用户认定阶段，但随着中国技术的不管进步，未来国内燃料电池行业将会高速发展。

3 展望

新能源汽車细分种类繁多，中国新能源汽车推广效果明显，但目前还是以插电混合、纯电动为主，而氢能源汽车正快速发展，预测到2030年，其产业产值有望突破万亿元大关。国家政策的不管鼓励，鼓励支持龙头企业对燃料电池核心技术研究开发，扩大燃料电池应用。在制氢技术、储氢技术、输氢体系、燃料电池经济性等方面不断突破。随着国家技术的不断突破和政策的不断推进，燃料电池市场前景广阔。

4 结语

燃料电池具有发电效率高、噪音低、能量转换率高、燃料多样性、负荷响应快、氧化氮和氧化硫等排出量少、环境相容性优、燃料范围广、可靠性高等优点。随着国家政策的大力扶持和国家对环境保护的各项要求，这将推进我国燃料电池技术的不断突破，推动中国燃料电池行业不断向前发展。

参考文献

[1] 刘贤涛.国内外车用燃料电池研究现状及思考[J].现代商贸工业， 2019（10）：189-191.

[2] 中国商业研究院.2019年燃料电池市场前景研究报告[J].电器工业，2019（4）：23-31.

[3] 陈瞳，周宇昊，张海珍等.氢燃料电池发展现状和趋势[J].节能，2019（6）：158-160.

[4] 赵佳骏，王培红.主流燃料电池技术发展现状与趋势[J].上海节能， 2015（4）：199-203.

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