燃料电池的分类及发展概述.pptx

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氢燃料电池的结构特性与氢燃料电池汽车的发展概述

1　引言

随着我国坚定的朝着2030年碳达峰和2060年碳中和目标推进，绿色能源的发展与

应用越来越快，氢能作为零排放、零污染的

能源在各行各业突显出它的重要性，而氢燃

料电池汽车在氢能应用上占有着绝对的比重，

国内外都在大力推广。氢燃料电池有着显著

的优点，但也面临着不可忽视的挑战，需要

上下游产业链共同推进，在燃料电池技术及

制氢、储氢、加氢站全方位努力，大幅降低

成本，扩大应用。

2　氢燃料电池

2.1　燃料电池的分类

燃料电池是一种将燃料与氧化物原本通

过燃烧反应的化学能直接转化成电能的装置；

根据电解质的不同，可将其分为多种燃料电

池类型，如表1所示。

其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）受新能源汽车行业驱动，发展前景良好。2020

年全球市场出货量占比最高的仍是质子交换

膜电池，其出货比例占全球燃料电池市场的 78.08%；出货量占比第二位的是固体氧化物

燃料电池，占比为 11.19%；质子交换膜（PEM）

的质量对燃料电池的性能和寿命起着决定性徐志红　朱晓雯　徐彩妮

上汽通用五菱汽车股份有限公司　广西柳州市　545007

摘 要： 氢燃料电池将化学能直接转化成电能，拥有零排放、效率高，基本无噪声，低温下表现优秀等优点，

同时也有成本较高、系统运行条件要求较高，存在一定滞后性等不足。氢燃料电池技术研究主要集中

于膜电极、双极板以及辅助系统三大方面，燃料电池电堆本身无法直接工作，需要空气系统，氢气系统，

热管理系统的协同工作，才能合理应对各种工况。国内外都将氢能作为绿色低碳的重要能源来大力推动，

随着需求的发展，成本将会大幅下降，未来5-10年内即将迎来高速增长期，市场化程度和普及率也会

随之大幅提高。

关键词：氢燃料　氢燃料电池　氢能　氢燃料电池汽车

An Overview of Structure Characteristics of Hydrogen Fuel Cells and Hydrogen Fuel Cell Car Development

燃料电池

科技名词定义

中文名称：

燃料电池

英文名称：

fuel cell

定义：

将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。

所属学科：

电力（一级学科）；可再生能源（二级学科）

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

百科名片

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”。

目录

简介

能量变化

历史

中国发展状况

国际发展状况

特点与原理

分类

发电系统

评估

经济性

展望

调峰能力增加

节约配电网的建设费用

提高电网的安全性

电网管理

编辑本段简介

燃料电池

燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：

（1）能量转化效率高 他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燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低 CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。

（3）燃料适用范围广。

（4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。

（5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

编辑本段能量变化

各种燃料电池简述

1.碱性燃料电池（AFC）

AFC是以碱性溶液为电解质，将存在于燃料和氧化剂中的化学能直接转化

为电能的发电装置，是最早获得应用的燃料电池，由于其电解质必须是碱性溶液，

因此而得名碱性燃料电池。氢氧化钠和氢氧化钾溶液，以其成本低，易溶解，腐

蚀性低，而成为首选的电解液。催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属

镍、钴、锰等。在1973年成功地应用于Apollo登月飞船的主电源，使人们看到

了燃料电池的诱人前景。具有启动快、效率高、价格低廉的优点，有一定的发展

潜力。其反应式为：

阳极： 2H2+4OH-→2 H2O +4e-

阴极： 2 H2O +O2→4OH-

总反应： 2H2+O2→2H2O

这种电池常用35%-45%的 KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜

材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度

比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率，但氧化剂应为纯氧，电池

中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类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，20世纪90年

代后期在跟踪开发中取得了非常有价值的成果。发展碱性燃料电池的核心技术是

要避免二氧化碳对碱性电解液成分的破坏，不论是空气中百万分之几的二氧化碳

成分还是烃类的重整气使用时所含有的二氧化碳，都要进行去除处理，这无疑增

加了系统的总体造价。此外，电池进行电化学反应生成的水需及时排出,以维持水

平衡。因此，简化排水系统和控制系统也是碱性燃料电池发展中需要解决的核心

技术。

2.磷酸型燃料电池（PAFC）

PAFC自20世纪60年代在美国开始研究一来，由于操作温度低，耐CO中

毒能力强等特点，得到了优先发展，是目前技术成熟、发展最快的燃料电池。 PAFC是一种以磷酸为电解质的燃料电池。采用重整天然气作燃料，空气做

燃料电池的发展与应用

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换器，它是一种新型的高效能源转换技术，被广泛应用于电动汽车、备用电源、航空航天、生命医学和海洋探测等领域。燃料电池的优点在于高效、清洁、静音、可靠、环保，是未来能源转型的重要选择之一。本文将探讨燃料电池的发展历程、种类以及应用现状。

一、燃料电池的发展历程

燃料电池的历史可以追溯到1839年，英国化学家威廉·格罗夫发现了一种用硫酸和钯作为催化剂的化学电池，该电池可以将氢气和氧气转化为电能。从此，人们开始了解和研究燃料电池。

20世纪60年代，NASA开始尝试使用燃料电池驱动宇宙飞船。1978年，美国能源部成立了一个燃料电池研究计划，投入大量资金用于燃料电池的研究和开发。随着技术的不断进步，燃料电池的成本不断降低，性能不断提升，应用领域也不断拓展。

二、燃料电池的种类

燃料电池主要分为若干种类，根据不同的电解质和催化剂可分为以下几类。

1、质子交换膜燃料电池（PEMFC）

质子交换膜燃料电池是目前应用最为广泛和发展最为成熟的燃料电池，其催化剂通常为铂。它采用质子交换膜来分离正负极，氢气在阳极上被氧化成水，在电极上释放出电子，水分子被分解成氧气和质子。质子通过膜进入阴极，在那里与电子结合形成水。PEMFC在电动汽车、便携式电子设备、船舶等领域得到广泛应用。

2、直接甲醇燃料电池（DMFC）

直接甲醇燃料电池以甲醇为燃料，采用铂和铂铑合金作为催化剂。它能够直接将甲醇和氧气转化为电能和水。DMFC成本低、能量密度高，是一种极具潜力的燃料电池。然而，由于甲醇的扩散和物质传输过程中的限制，DMFC在实际应用中面临一些挑战。

3、碳酸盐燃料电池（MCFC）

碳酸盐燃料电池是一种利用碳酸盐的离子传递电子的电池，电池中的主要反应是氢氧气与氢气碳酸盐的反应。MCFC的催化剂通常为镍，它可以直接利用从煤、石油等化石能源中提取的氢气作为燃料，不需要对氢气进行纯化处理。对环境的影响比较小，一般用作小功率和纯电力设备。