锂电池、燃料电池知识科普

锂电池、燃料电池知识科普当前，新能源动力电池主要分锂电池和燃料电池两大类。蓄电池包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、锂电池、空气电池等，主流常见的是铅酸蓄电池和锂电池。燃料电池包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(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)、直接甲醇燃料电池(DMFC)。锂电池和燃料电池的最大区别在于两者的工作本质不一样。锂电池是一个储能装置，通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放，它必须储能再放能，完全依赖于外部能量的供应，如果外部能量是非环保的，那么锂电也就是非环保的电力，因此就有了纯电动汽车只不过是污染的二次转移之说，因为其电能主要来自于以火力发电为主的电网。燃料电池无需储能，是一个电能生产装置，它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来，工作方式跟内燃机比较类似。换句话说，锂电池的能源转换为电能到化学能再到电能，而燃料电池则是直接将化学能转化成电能。从能源转化的角度，燃料电池无疑是相对锂电池更高级的发展层次。(一)蓄电池铅酸蓄电池铅酸蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液，常见的铅酸蓄电池分三类：普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池。铅酸蓄电池的发展历史长久，具有供电电压稳定、价格便宜的优点。但是相比于锂电池，铅酸蓄电池有着能量密度低，使用寿命短，充电时间长，体积大等缺点。此外，铅酸蓄电池中存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，将对环境产生污染。锂离子电池常见的锂离子电池有三类，分别是磷酸铁锂电池、钻酸锂电池和三元锂电池。可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等数码产品中应用最广泛的电池。相比于铅酸蓄电池，锂离子电池具有能量密度大，重量轻，使用寿命长，充放电效率高等优点，是作为电动汽车动力电源的选择之一。但是，锂电池的制造成本高，充电要求很高，要保证终止电压精度在±1%之内，在使用过程中不可过充、过放，会损坏电池的容量及寿命。(二)燃料电池碱性燃料电池(AFC)与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。磷酸燃料电池(PAFC)以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180°C—210°C运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是,PAFC的发电效率目前仅能达到40%—45%(LHV),它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1%(175°C)—2%(200°C),否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)在650°C—700C运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气/蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。⑷固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(达到70000h以上)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000°C左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000h)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw—50MW)，也可用作大容量的中心电站(>IOOMW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。(5)质子交换膜燃料电池(PEMFC)PEMPC的运行温度较低(约80°C),它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45%一50%(LHV)),对CO的容许值较高(VlOppm)。PEMFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEMFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。⑹直接甲醇燃料电池(DMFC)DMFC是直接以甲醇为原料，甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。直接甲醇燃料电池的优势在于燃料的使用便利，清洁环保，没有氢气压储运用的难题，缺点是目前质子交换膜的甲醇透过严重，造成燃料浪费，机器的性能衰减快。⑺水氢燃料电池(AHFC，水氢机)AHFC是一种特殊的PEMFC，它在原有的PEMFC技术上增加了制氢系统。制氢系统采用小型甲醇重整制氢技术，甲醇作为制取氢气的储能原料，氢气因需而产，即产即用。制氢系统的运行温度在200~400C左右，依目前的技术水平，AHFC的冷启动时间约30分钟。因为增加了制氢系统，发电效率相比于PEMFC会相对低一点，但整体上已经可以达到35%-45%的能效。虽然AHFC增加了制氢模块，但相对的，也解决了氢气来源的问题。限制纯电动汽车、氢燃料电池汽车等新能源汽车发展的一个重大因素是，其电能/原料供给的限制。纯电动汽车存在充电时间长，充电桩设桩困难等问题，建设加氢站则需要氢气加压降压及储存等国际前沿技术的支撑，运营成本高，高压储氢罐也存在一定的安全忧患。AHFC以甲醇水溶液为原料，在实际的运输、储存、加注上可基本效仿汽、柴油的管理模式，为燃料电池汽车推广提供可行方案。水氢燃料电池主要由若干个制氢单元、发电单元和控制单元集成组成。其工作原理是：以甲醇水为原料，在制氢系统中进行“汽化-催化重整-纯化”的反应制得高纯氢，高纯氢再通过发电系统（氢燃料电池系统）进行电化学反应，将高纯氢的化学能转变为可供外界使用的电能。控制爲st薛水箱水氢燃料电池原理图控制爲st薛水箱水氢燃料电池原理图扭机总结虽然目前锂离子电池当前的产业和技术成熟度远高于燃料电池，但是燃料电池是高于锂电池一个层级的系统，是未来发展的终极方向。传统的罐氢燃料电池路线的发展面临四大困境：1、氢气大规模生产、运输和加注（加氢站）过程的综合使用成本较高；2、终端加氢站的建设是政府层级的难题；3、氢气的大规模制备和用氢成本。尽管2015年、2016年丰田、本田

先后发布了燃料电池汽车，量产化的燃料电池汽车，实际上是引爆了整个行业，但以上氢燃料电池面临的难点不得