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燃料电池主要产品类型及其优缺点对比分析

发布时间:2019-04-11  来源:立鼎产业研究网  点击量: 100 

燃料电池(FuelCell)是一种非燃烧过程的电化学能转换装置。将氢气(等燃料)和氧气的化学能连续不断地转换为电能。其工作原理是 H2 在阳极催化剂作用下被氧化成H+e-H+通过质子交换膜达到正极,与O2 在阴极反应生成水,e-通过外电路达到阴极,连续不断的反应就产生了电流。燃料电池虽然带有“电池”二字,却不是传统意义上的储能设备,而是一种发电设备,这是燃料电池与传统电池最大的区别。

燃料电池原理示意图


资料来源:公开资料整理

燃料电池是理想的“内燃机替代者”。氢气是燃料电池主要燃料,从燃料安全性上看,氢气无毒无害,反应物为水,无毒无害,绿色清洁。氢气密度小,高压氢气泄漏燃烧时形成向上火炬,不向周围扩散。因此氢气安全性是高于天然气和石油等化石燃料。从性能上看,燃料电池能量转化效率为 50-70%,功率密度约 3 kW/L,柴油机功率密度约 1.3 kW/L,是理想的“内燃机替代者”。燃料电池的能量密度可达 500 Wh/kg,循环寿命 4000 次以上,性能优于锂电池。

不同电池性能比较


资料来源:公开资料整理

一、碱性燃料电池(AFC

碱性燃料电池(AFC):最早开发成功产品,中温产品(120°C)稳定用于航空、低温产品(80°C)尝试用于便携式电源;效率约50%

优点:

1)工作温度低,5分钟内可达到额定功率;

2)可使用非铂催化剂,阳极采用镍系催化

剂、阴极采用银系催化剂;

3)氧在碱性介质中还原反应速度比酸性高。

缺点:

1)氢氧化钾与CO2生成K2CO3,降低效率;

2)使用电解液,需保持电池水平衡;

3)废热利用受到限制。

代表公司:AFCEnergyAkzoNobel

二、磷酸燃料电池(PAFC

磷酸燃料电池(PAFC):目前技术最成熟、商业化程度最高;以磷酸为电解质(液体)、铂为电极、工作温度 150-220°C;电池效率40%;在美国、日本已建成KW-MW级电厂。

优点:

1)对CO2容忍度高;

2)可直接利用重整天然气提供燃料;

3)商业化程度高;

4)电解液不易挥发。

缺点:

1)需要用铂和高温加速氧电化学反应;

2)电解液对于电堆腐蚀性强。

代表公司:富士电机

三、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC):工作温度650°C;融化的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐为电解液;可采用镍金属为电极;余热利用;效率60%

优点:

1)工作温度高,余热可利用;

2)采用非铂材料为电极;

3)适用于大型电站;

4)可采用重整天然气、石油等位燃料。

缺点:

1)高温导致安全性隐患;

2)需要长时间才能达到额定功率;

3)不适用于交通运输设备;

4)腐蚀性强。

代表公司:NEDO

四、固体氧化物燃料电池(SOFC

固体氧化物燃料电池(SOFC):第三代燃料电池;采用固态电解质(钇稳定氧化锆陶瓷);电池工作温度1000°C;效率在80%以上;简化设备。

优点:

1)较高的电流和功率密度;

2)可直接使用甲烷、甲醇燃料;

3)不用使用铂为电极;

4)不存在腐蚀和封接问题;

5)提供高质余热,实现热电联产;

6)采用陶瓷材料为电解质。

缺点:

1)中低温情况下,功率低下;

2)热膨胀问题需要解决。

代表公司:BloomEnergy五、质子交换膜燃料电池(PEMFC

质子交换膜燃料电池(PEMFC):应用前景最为广阔,适用于汽车等移动交通工具,运行最高温度120°C

优点:

1)工作温度低、启动快、结构简单;

2)最适用于交通运输设备。

缺点:

1)成本较高;

2)技术难度大;

3)直接使用氢气为燃料。

代表公司:Ballard

六、不同电解质类型产品特征对比

碱性燃料电池最早成功开发,稳定应用于航天领域;磷酸燃料电池属于第一代燃料电池,其技术最成熟、商业化程度最高,在美日广泛应用于大型电站;熔融盐和固体氧化物燃料电池分别是第二、三代技术,多用于发电厂;质子交换膜燃料电池应用前景最广阔,未来预计将成为汽车领域主流燃料电池技术。

各类燃料电池性能对比


资料来源:California FC

 

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