鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:2324次 | 2018年08月03日
中國燃料電池原理、發(fā)展及應(yīng)用分析
(一)燃料電池是一種能效轉(zhuǎn)換率高、清潔可靠的新興動(dòng)力
燃料電池是是一種不經(jīng)過燃燒過程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料如氫氣、天然氣等和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置,是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、化學(xué)發(fā)電之后第四種發(fā)電方式。燃料電池可以持續(xù)發(fā)電,且生成物主要是水,基本上不排放有害氣體,因此更加清潔環(huán)保。
燃料電池通過電化學(xué)方式取得能量
燃料電池是直接發(fā)電的原理
與目前在發(fā)電廠和乘用車廣泛使用的以燃燒為基礎(chǔ)的技術(shù)相比,燃料電池?fù)碛泻芏鄡?yōu)勢(shì)。由于其沒有傳統(tǒng)熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制,具有遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)30%-35%的能源轉(zhuǎn)換效率,燃料電池最高能效轉(zhuǎn)化率超過60%,且具備污染低、無機(jī)械震動(dòng)、噪音低、能適應(yīng)不同功率要求、可連續(xù)性發(fā)電、可靠性高等優(yōu)勢(shì)性能。
傳統(tǒng)火力發(fā)電總能源轉(zhuǎn)換效率只有25%
部分燃料電池總能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%
燃料電池有廣泛的應(yīng)用,主流應(yīng)用包括交通運(yùn)輸、電源及特種應(yīng)用等。固定電源如為城市工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅、邊遠(yuǎn)地區(qū)及孤立海島、輪船離岸應(yīng)用供電市場(chǎng)目前占比最大;備用電源是美國發(fā)展最快的應(yīng)用之一,這里燃料電池用于大型通信設(shè)備、數(shù)據(jù)中心和家庭的備用電源;特種航天應(yīng)用是歷史最悠久的燃料電池應(yīng)用之一,用作宇宙飛船、人造衛(wèi)星、空間站等航天系統(tǒng)的能源供應(yīng)。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
汽車燃料電池領(lǐng)域,近年來,在政府扶持、豐田等廠商拉動(dòng)、系統(tǒng)成本下降等因素帶動(dòng)下,汽車燃料電池應(yīng)用開始爆發(fā)。
(二)燃料電池的歷史來源及發(fā)展歷程
1838年
燃料電池的原理由德國化學(xué)家尚班(ChristianFriedrichSch?nbein)提出,并刊登在當(dāng)時(shí)著名的科學(xué)雜志。
1839年
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
英國物理學(xué)家威廉葛洛夫把刊登燃料電池理論,其后又把燃料電池設(shè)計(jì)草圖于1842年刊登。
到20世紀(jì)50年代以前
燃料電池一直處于理論與應(yīng)用基礎(chǔ)的研究階段。燃料電池理論和類型也不斷豐富,1952年英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。在此前期間,GE(通用電氣)資助了PEMFC質(zhì)子交換膜燃料電池的研究。
20世紀(jì)60年代
由于載人航天對(duì)于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求,燃料電池才引起一些國家與特種部門的高度重視。美國NASA(國家特種航天局)的Apollo登月計(jì)劃中就是采用燃料電池為太空船提供電力和飲用水的,是美國聯(lián)合技術(shù)公司的UTCPower通過引進(jìn)培根專利,成功研制了Apollo登月飛船的主電源——Bacon型中溫氫氧燃料電池,雙子星宇宙飛船(1965)也采用了通用的PEMFC為主電源。再此之后,氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域,同時(shí),兆瓦級(jí)的磷
酸燃料電池也研制成功,可見,燃料電池在當(dāng)時(shí)已是一種被驗(yàn)證的相對(duì)成熟的技術(shù)。
20世紀(jì)70-80年代
能源危機(jī)和航天軍備競(jìng)賽大大推動(dòng)了燃料電池的發(fā)展。以美國為首的發(fā)達(dá)國家開始大力支持民用燃料電池的開發(fā),至今還有數(shù)百臺(tái)當(dāng)時(shí)投資的PC25(200千瓦)磷酸燃料電池電站在世界各地運(yùn)行。此后,各種小功率燃料電池也開始在宇航、特種、交通等各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代至今
人類日益關(guān)注環(huán)境保護(hù)。以質(zhì)子交換膜燃料電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車、直接甲醇燃料電池的便攜式移動(dòng)電源、高溫燃料電池電站、用于特種和航天器的燃料電池等蓬勃發(fā)展。
(三)燃料電池的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛
燃料電池有三大類主要市場(chǎng):固定電源、交通運(yùn)輸和便攜式電源。
固定電源應(yīng)用是目前最大的市場(chǎng)固定電源市場(chǎng)包括所有的在固定的位置運(yùn)行的作為主電源、備用電源或者熱電聯(lián)產(chǎn)的燃料電池,比如分布式發(fā)電及余熱供熱等。固定燃料電池被用于商業(yè)、工業(yè)及住宅主要和備份能發(fā)電,它還可以作為動(dòng)力源可以安裝在片源遠(yuǎn)位置,如航天器、遠(yuǎn)端氣象站、大型公園及游樂園、通訊中心、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地帶,對(duì)于一些科學(xué)研究站和某些特種應(yīng)用非常重要。固定電源應(yīng)用在燃料電池主流應(yīng)用中占比最大,其中美國市場(chǎng)目滲透率略高,大型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心使用量呈較明顯的上升趨勢(shì)。
除用于發(fā)電之外,熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)燃料電池系統(tǒng)還可以同時(shí)為工業(yè)或家庭供電和供熱。
燃料電池具備多種主流應(yīng)用
電動(dòng)汽車等應(yīng)用
2、交通動(dòng)力應(yīng)用是目前關(guān)注度最高的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域
交通運(yùn)輸市場(chǎng)包括為乘用車、巴士/客車、叉車以及其他以燃料電池作為動(dòng)力的車輛提供的燃料電池,例如特種車輛、物料搬運(yùn)設(shè)備和越野車輛的輔助供電裝置等。
汽車用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)是目前關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。這是目前是爆發(fā)最迅猛,也是關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。
燃料電池為動(dòng)力的叉車是燃料電池在工業(yè)應(yīng)用內(nèi)最大的部門之一。用于材料搬運(yùn)的大多數(shù)燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池提供動(dòng)力,但也有一些直接甲醇燃料叉車進(jìn)入市場(chǎng)。目前正在運(yùn)營的燃料電池車隊(duì)有大量的公司,包括聯(lián)邦快遞貨運(yùn)、西斯科食品、GENCO、H-E-B雜貨店等。
便攜式電源市場(chǎng)包括非固定安裝的或者移動(dòng)設(shè)備中使用的燃料電池,目前相比鋰電池的優(yōu)勢(shì)并不明顯,因此市場(chǎng)滲透不快。