燃料电池行业现状与发展趋势分析

燃料电池的研究现状及发展趋势

摘 要：

根据燃料电池的特点，综述了碱性燃料电池（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）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）的研究现状及燃料电池的发展趋势

关键词：燃料电池；研究现状；发展趋势

燃料电池是一种等温直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置燃料电池的研究开发已有近半个世纪的历史，取得了相当大的进展，技术也逐渐成熟，是一种绿色能源技术，可以同时解决节能和环境保护两大难题

一.燃料电池的研究现状

1.碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天飞行及潜艇中成功应用国内已研制出200w氨—空气的碱性燃料电池系统，制成了1KW、10KW、20KW的碱性燃料电池，九十年代后期在跟踪开发取得了非常有价值的成果[1].

2.磷酸型燃料电池（PAFC）

美国将磷酸型燃料电池列为国家级重点科研项目进行研究开发，向全世界出售200KW级的磷酸型燃料电池，日本制造出了世界上最大的（11MW）磷酸型燃料电池国内魏子栋等人进行 （ ）／氧还原电催化剂的研究上，并提出了 ／ 对 的锚定效应 熔融碳酸盐燃料电池（

主要是在美国、日本、和西欧研究和利用较多， 外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池已经问世，在解决 的性能衰减和电解质迁移方面已取得突破我国已将 正式列入国家“九五”攻关计划，已研制出 的熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池（

目前已开发了管式、平板式［］和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池国内大都处于

的基础研究阶段

质子交换膜燃料电池

是继 、 、 、 之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，它是为航天和军用电源而开发的国内研制具有代表性的是利用 技术积累全面开展

Ｎｓ．ＧＨＴｌ一　

燃料电池技术　

开发现状及发展趋势　

燃料电池（Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌ１）是＿种高　

效、环境友好的新能源发电装置，能将　

燃料的化学能通过电化学反应直接　

转化为电能。在工作原理和方式上，燃　

料电池与普通电池（Ｂａｔｔｅｒｙ）存在差　

别：燃料电池的正、负极本身不包含　

活性物质，只是电催化和集流的转换　

元件，也是电化学反应的场所。燃料电　

池是开放体系，活性物质储存在电池　

之外，只要不断地供给燃料和氧化剂　

就能连续发电，因而容量很大。同时，　

燃料电池还是＿个复杂的系统，一般　

由燃料和氧化剂供应系统、水热管理　

系统以及控制系统等多个子系统组　

成。而普通电池是简单的封闭体系，放　

电容量有限，活性物质一旦消耗光，电　

池寿命即告终止，或者必须充电后才　

能再次使用。　一　燃料电池的优势与技术特点　

１．燃料电池的优势　

燃料电池是一个复杂的能量转换　

系统，涉及到电化学、化工、材料、电催　

化、电力系统及自动控制等多个学科，　

包含大量关键科学问题、技术问题和　

工程问题。总体来讲，燃料电池这种前　

沿发电技术主要特点包括以下４个方　

面：①高能量转化效率。燃料电池可　

直接将燃料的化学能转化为电能，中　

间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循　

环的限制。目前，燃料电池系统的发电　

效率可达４５％～６０％，能量综合利用　

效率可超过８０％，而火力发电和核电　

的能量利用效率大约在３０％～４０％。　

②环境友好。燃料电池的有害气体　

ＳＯ　、Ｎ０　排放及噪音污染都很低，甚　

至为零。③燃料种类较多。燃料电池除　■文／王诚　

清华大学核能与新能源技术研究院　

氢气燃料以外，还可采用小分子碳氢　

化合物如煤气、沼气、天然气、甲醇等　

作为燃料。④燃料电池的积木性强，发　

电规模可大可小，非常适合于交通动　

力、分布电站和便携式电源应用。　

２．燃料电池的技术分类与特点　

按照燃料电池电解质的不同，　

燃料电池可分为５类：碱性燃料电池　

（Ａｌｋａｌｉｎｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ，ＡＦＣ）、磷酸　

综述

2019.7Vol.43No.7收稿日期：2018-12-02

基金项目：河南省工程技术研究中心项目(豫科2016-221号-高

新35)；河南省创新型科技团队项目(C20150017)；河南省教育厅科学

技术研究重点项目资助计划(13A460693)作者简介：郭朋彦(1981—)，男，

河南省人，副教授，博士，主要研

究方向为车辆与车用动力。

1233氨燃料电池的研究现状及发展趋势

郭朋彦1,2，聂鑫鑫1，张瑞珠1，陈磊1，陈全征1

(1.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045；2.华北水利水电大学车辆与新能源技术研究院，河南郑州450045)

摘要：氨作为一种无碳富氢化合物，其价廉、不易燃、易于储存和运输，产业基础完善，恰好可弥补氢作为燃料所面临的

不足，被认为是可替代氢用于燃料电池的理想燃料。介绍了氨的理化特性，讨论了各类氨燃料电池的工作原理和特点，

分析了氨燃料电池的国内外发展历程及研究现状，研究了氨燃料电池存在的优势，探讨了氨燃料电池在商业化进程中

所面临的挑战以及应对措施，并指明了氨燃料电池的发展趋势。

关键词：氨燃料；燃料电池；研究现状；发展趋势

中图分类号：TM911.4文献标识码：A文章编号：1002-087X(2019)07-1233-04

Researchstatusanddevelopmenttrendofammoniafuelcells

GUOPeng-yan1,2,NIEXin-xin1,ZHANGRui-zhu1,CHENLei1,CHENQuan-zheng1

Abstract:Asacarbon-freehydrogen-richcompound,ammoniaisconsideredanalternativetohydrogenforfuelcells

becauseofitsadvantagesoflowprice,non-flammable,convenienceofstorageandtransportation,adequate

在使用的锂电池差不多，但电容量却是锂电池　

的４倍。这是该公司为了满足汽车和家庭需要　

而开发的固体高分子型燃料电池的一种，用改　

质器从沼气中提取氢送入燃料电池，改质器只　

有５００日元的硬币一样大，电池本身长２０ｃｍ，　

宽和高均为几厘米，用于一般的笔记本电脑可　

连续驱动８Ｎ　１６个小时。　

日本雅马哈公司２００５年１１月宣布，己成功　

开发出以沼气为燃料的燃料电池摩托车‘Ｆｃ—　

ｍｅ’。这款摩托车己于２００５年９月１６日在日本　

静冈县以出租的形式上路，是世界上首款进人　

实用阶段的燃料电池摩托车。这款燃料电池摩　

托车可用作小型摩托车的替代品，燃料是沼气　

水溶液，加满燃料可持续行驶１００ｋｍ，和使用　

汽油的摩托车相比，排放的Ｃ０２可减少约４５％。　

安徽理工大学承担的淮南市千瓦级沼气燃　

料电池研制国际合作项目已经通过安徽科技厅　

验收。千瓦级沼气燃料电池的研制项目以国产　ｆｙｐａ一１０５０型质子交换膜的热稳定性为研究对　

象，采用热重分析等方法，开展了质子交换膜　

在空气中的热分解动力学和燃料电池用质子交　

换膜在氦气中的热分解动力学研究。研究人员　

开发了一种用于甲烷蒸汽重整制氢的复合催化　

剂，采用复合催化剂制氢技术，在５００摄氏度　

以下的条件下，使甲烷转化率接近１００％。该技　

术已经申请了国家专利。此外，他们开发的内　

热式甲烷蒸汽重整制氢反应器，也在项目实施　

中进行了成功应用　

三、沼气理化特性　

沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还　

原条件），并在适宜的温度、湿度下，经过微　

生物的发酵作用产生的～种可燃烧气体。　

沼气的主要成分是甲烷。沼气由５０％￣８０％　

甲烷（ＣＨ　）、２Ｏ％～４０％二氧化碳（ＣＯ２）、Ｏ％～５％　

氮气（Ｎ　）、小于１％的氢气（Ｈ　）、小于０．４％的氧　

气（０２）与０．１％～３％硫化氢（Ｈ　Ｓ）等气体组成。由　

于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其　

特性与天然气相似。空气中如含有８．６～２０．８％