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燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是,它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。目前最常用的燃料为氢气和天然气等碳氢化合物,但由于碳氢化合物在使用过程中会产生二氧化碳等温室气体,因此氢气成为燃料电池的最理想能源。
追根溯源,看燃料电池发展200年
1839年英国的Grove发明了燃料电池,并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。燃料电池发展已有近200年,在90年代之后开始迅猛发展,进入21世纪,燃料电池陆续在发电及供热站、便携式电源和交通运输等多个领域得到应用。从1958年第一个质子交换膜电池诞生以来,通用、戴姆勒、丰田等多家车企都相继推出多款燃料电池汽车,2014-2015年丰田Mirai和本田Clarity的推出标志着燃料电池汽车商业化发展的开始。
燃料电池优势明显
燃料电池真正实现高效率和零排放。与传统的石化燃料相比,燃料电池具有零排放、无振动噪声等优点;
燃料电池转换效率高应用广泛。燃料电池由于其电能转换不经过燃烧这一过程,理想化转换效率可以达到83%左右,目前实际的转换效率大概在45%-60%之间,内燃机转换效率大概在30%-40%之间。同时燃料电池的功率范围为1W~100MW,可以广泛应用于交通运输、便携式设备、发电站和航空航天等领域;
与锂电池比,燃料电池能量密度更高,且充氢比充电时间更短。三元动力锂电池2020年的容量有望达到150Wh/Kg、200Wh/Kg,但后期容量提升空间有限,燃料电池凭借开放式系统,能量密度主要取决于储氢量,其能量密度提升的空间更大。丰田Mirai的PEMFC系统的能量密度超过350Wh/Kg,而功率密度已经达到了2KW/Kg。动力锂电池虽然能承受一定程度的高倍率快速充电,但对电池的循环寿命形成永久伤害,且充电时长在30分钟以上,相比之下燃料电池车只需要3~5分钟即可完成加氢。
质子交换膜是车用燃料电池主流技术
按照电解质不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等,目前应用最广泛的燃料电池主要是MCFC、SOFC及PEMFC。
PEMFC以其功率密度大、体积小、质量轻、室温下即可工作、起动迅速等优点,因此质子交换膜燃料电池(PEMFC)更适于应用在燃料电池汽车领域,被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源,因而现在是研究的热点。
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