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[电池材料] 燃料电池基础知识及产业发展情况梳理

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发表于 2016-8-29 10:02:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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一、燃料电池介绍

1

燃料电池定义及特性

燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于,它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂,只要持续供应,燃料电池就会不断提供电能。

工作原理:燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成,其工作原理与普通电化学电池类似,燃料在阳极氧化,氧化剂在阴极还原,电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路,产生电流。

燃料电池主要优点:

(1)运行噪音低,可靠性高;

(2)能量转化效率高;

(3)构造简单便于维护保养;

(4)无污染可实现零排放;

(5)燃料多样性,可弹性设置/用途广

2

燃料电池分类

按照燃料电池的运行机理分类:

酸性燃料电池、碱性燃料电池

按电解质的种类:

碱性燃料电池AFC、磷酸燃料电池PAFC、质子交换膜燃料电池PEMFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC、固体氧化物燃料电池SOFC

按燃料类型:

氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池

按工作温度:

低温型、中温型、高温型


1  燃料电池的主要种类及其特点

类型

碱性燃料电池

质子交换膜燃料电池

磷酸型燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池

英文简称

AFC

PEMFC

PAFC

MCFC

SOFC

电解质

氢氧化钾溶液

含氟质子交换膜

磷酸

碳酸钾

固体氧化物

燃料

纯氢

氢、甲醇、天然气

天然气、氢

天然气、煤气、沼气

天然气、煤气、沼气

氧化剂

纯氧

空气

空气

空气

空气

效率

60%-90%

43%-58%

37%-42%

50%-

50%-65%

使用温度(℃)

60-120

80-100

160-220

600-1000

600-1000

优点

效率高;

可以用非铂催化剂;

可以采用双镍板做双极板;成本低。

工作温度低;可在室温下快速启动;

可使用氢气、天然气/甲醇重整气作燃料,空气做氧化剂;

运行安静、污染排放低;

功率密度高、机动性好。

利用廉价的炭材料为骨架;

除以氢气为燃料外,有可能直接利用甲醇、天然气、城市[url=]煤气[/url]等低廉燃料;

不需要CO2处理设备。

燃料适应性广;

使用非贵金属催化剂;

高品位余热可用于热电联供。

燃料适应性广;

采用非贵金属作为催化剂;高品位余热可用于热电联供;

固体电解质;较高的功率密度

缺点

必须使用纯的H2和O2;需周期性地更换KOH电解质;

必须从阳极及时除水;

电解质易CO2中毒。

催化剂铂昂贵;

聚合物膜和辅助组件昂贵;

经常需要水管理;

CO和S容许度非常差。

电催化剂必须采用贵金属;

催化剂易CO中毒。

CO2必须再循环;

熔融碳酸盐电解质具有腐蚀性;

退化/寿命问题;材料昂贵。

材料在高温下运行会产生一系列问题;

密封问题;

电池部件制造成本高。

应用情况参考

应用于宇宙飞船等领域

应用广泛、发展迅速

有可能用于大型发电厂

有可能用于大型发电厂

发展迅速、可用于FCEV

3

燃料电池主要应用领域

燃料电池技术主要应用领域包括三方面:固定式电站发电(主要电源、备用电源、热电联产)、交通运输动力(燃料电池汽车)、便携式电源。此外还广泛应用于军事、航空航海、数据中心供电、工业使用(室内机械)等领域。

4

燃料电池与其他能源提供方案的区别

燃料电池与火力发电的区别
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燃料电池与普通蓄电池的区别

(a)燃料电池是一种能量转换装置,在工作时必须有能量(燃料)输入,才能产出电能。普通蓄电池是一种能量储存装置,必须先将电能储存到电池中,在工作时只能输出电能,在工作时不需要输入能量,也不产生电能,这是燃料电池与普通电池本质的区别。

(b)一旦燃料电池的技术性能确定后,其所能够产生的电能只和燃料的供应有关,只要供给燃料就可以产生电能,其放电特性是连续进行的。普通蓄电池的技术性能确定后,只能在其额定范围内输出电能,而且必须是重复充电后才可能重复使用,其放电特性是间断进行的。

(c)燃料电池本体的质量和体积并不大,但燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备,才能获得氢气,而这些燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备的质量和体积远远超过燃料电池本身,在工作过程中,燃料会随着燃料电池电能的产生逐渐消耗,质量逐渐减轻(指车载有限燃料)。普通蓄电池没有其他辅助设备,在技术性能确定后,不论是充满电还是放完电,蓄电池的质量和体积基本不变。

(d)燃料电池是将化学能转变为电能,普通蓄电池也是将化学能转变为电能,这是它们共同之处,但燃料电池在产生电能时,参加反应的反应物质在经过反应后,不断地消耗不再重复使用,因此,要求不断地输入反应物质。普通蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电变化,活性物质反复进行可逆性化学变化,活性物质并不消耗,只需要添加一些电解液等物质。

燃料电池和锂电池区别对比

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二、燃料电池发展现状

目前,燃料电池应用主要集中在潜艇、航天等特殊领域,且技术已相对成熟。而民用领域如燃料电池电动汽车、电站等尚处于示范阶段,相关技术距离商业化还有一定的差距,存在着成本、寿命等瓶颈问题。其原因可以归结为民用产品与特殊应用产品对成本承受力的差异 特殊领域由于面对的是特殊应用,对成本目标没有苛刻的要求,而民用产品面对的是广大消费群体,低成本是应用的前提条件。 民用产品在追求低成本的同时,寿命也面临着挑战,如减少Pt 用量虽可降低燃料电池成本,但低Pt 催化剂电池的耐久性却更加严峻.

解决寿命与成本问题,促进民用燃料电池产品的商业化。燃料电池汽车、电站等民用产品面临着的低成本与长寿命兼顾问题,是制约商业化的瓶颈问题。车用燃料电池的问题尤为突出,燃料电池经过近半个多世纪的发展,至今在电动汽车、电站、便携式电源或充电器等各行业还处于示范阶段。

因此,现阶段我国一方面要大力推进燃料电池在特殊领域的应用,力争占领未来此领域动力源的制高点; 另一方面要促进燃料电池在民用领域的技术进步,从材料、部件、系统等3 个层次进行技术改进与创新,加快燃料电池民用商业化步伐,提供高能效、环境友好的燃料电池发电技术,加快燃料电池民用产品的商业化步伐。


三、燃料电池产业链、主要研发机构及企业

1

燃料电池产业链

重中之重重中之重.jpg

2

燃料电池主要研发机构及企业

(1)官方及非盈利机构

中华人民共和国科学技术部

国家自然科学基金

中国氢能协会

(2)研究机构

中国科学院大连物理化学研究所

中国科学院长春应用化学研究所

北京有色金属研究总院

中国科学院广州能源研究所

中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院上海有机化学研究所

中科院宁波材料所

钢铁研究总院

(3)高等院校

清华大学

同济大学

上海交通大学

厦门大学

北京理工大学

华南理工大学

天津大学

华中科技大学

中国科学技术大学

(4)国内企业及相关上市公司及部分简介

上海神力科技有限公司

上海燃料电池汽车动力系统有限公司

北京世纪富源燃料电池有限公司

北京飞驰绿能电源技术有限公司

大连新源动力股份有限公司

上汽汽车工业集团

福建南平南孚电池有限公司

上海中科同力化工材料有限公司

上海永久股份有限公司

安泰科技股份有限公司


相关上市公司:

公司名称

简介

同济科技

公司与中科院上海有机化学研究所、上海神力科技公司组建中科同力化工材料公司,占36.23%股权。质子膜事业部主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件的研发,包括质子交换树脂和质子交换膜、膜电极等。

南都电源

公司持有大连新源动力股份有限公司3.42%的股权。新源动力股份有限公司经营范围为燃料电池及相关零部件研制、生产,相关工程技术开发、咨询和氢源技术产品研发。

长城电工

公司(占9.38%)投资1050万元与中科院大连化学等共同设立大连新源动力股份公司。该公司依托中科院大连化物所自有知识产权的质子交换膜燃料电池技术,将建成可年产

新大洲A

公司持有大连新源动力股份有限公司3.42%, 新源动力由中国科学院大连化学物理研究所、兰州长城电工股份有限公司等单位发起设立,是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业。

江苏阳光

参股上海神力科技有限公司31.04%股份,上海神力主要从事质子交换膜燃料电池和钒电池的研发和生产,2010年公司作为世博会燃料电池汽车中的燃料电池发动机的主要供应商之一,共为30辆轿车,一辆客车提供了燃料电池发动机动力系统。

复星医药

参股上海神力科技有限公司5.23%股份,上海神力主要从事质子交换膜燃料电池和钒电池的研发和生产,2010年公司作为世博会燃料电池汽车中的燃料电池发动机的主要供应商之一,共为30辆轿车,一辆客车提供了燃料电池发动机动力系统。

上汽集团

公司持有大连新源动力股份有限公司34.2%。集团确定了“以混合动力为主,以燃料电池为前瞻方向,同时推动代用燃料和纯电动产品的研发”的技术路线,投资20亿成立动力系统公司捷能汽车技术公司(公司占10%),与A123 SYSTEMS成立捷新动力电池系统公司(公司占51%)研发和制造汽车用蓄电池系统。

金龙汽车

2009年1月,由苏州金龙和清华大学联合研制的新一代氢燃料电池城市客车在苏州下线,此举标志着国家“863计划十一五攻关项目:节能与新能源汽车—氢燃料城市客车研发项目取得新突破。

华昌化工

氢气供应。公司新产品“硼氢化钠”作为高效还原剂应用广泛,是氢燃料电池的主要原料

三爱富

曾开发出全氟磺酸离子交换膜的关键原料全氟磺酸树脂

贵研铂业

正在做燃料电池催化剂的研发

安泰科技

以钢铁研究总院为技术依托,主要从事储氢合金材料研发




3国际知名燃料电池公司


FuelCell能源公司

巴拉德动力系统公司

Hydrogenics公司

Ceramic燃料电池有限公司

Plug Power公司

SFC能源公司


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