鋰電池、燃料電池知識(shí)科普

鋰電池、燃料電池知識(shí)科普當(dāng)前，新能源動(dòng)力電池主要分鋰電池和燃料電池兩大類。蓄電池包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、鋰電池、空氣電池等，主流常見的是鉛酸蓄電池和鋰電池。燃料電池包括堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)。鋰電池和燃料電池的最大區(qū)別在于兩者的工作本質(zhì)不一樣。鋰電池是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，它必須儲(chǔ)能再放能，完全依賴于外部能量的供應(yīng)，如果外部能量是非環(huán)保的，那么鋰電也就是非環(huán)保的電力，因此就有了純電動(dòng)汽車只不過是污染的二次轉(zhuǎn)移之說，因?yàn)槠潆娔苤饕獊碜杂谝曰鹆Πl(fā)電為主的電網(wǎng)。燃料電池?zé)o需儲(chǔ)能，是一個(gè)電能生產(chǎn)裝置，它通過電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來，工作方式跟內(nèi)燃機(jī)比較類似。換句話說，鋰電池的能源轉(zhuǎn)換為電能到化學(xué)能再到電能，而燃料電池則是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。從能源轉(zhuǎn)化的角度，燃料電池?zé)o疑是相對(duì)鋰電池更高級(jí)的發(fā)展層次。(一)蓄電池鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液，常見的鉛酸蓄電池分三類：普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護(hù)蓄電池。鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史長久，具有供電電壓穩(wěn)定、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。但是相比于鋰電池，鉛酸蓄電池有著能量密度低，使用壽命短，充電時(shí)間長，體積大等缺點(diǎn)。此外，鉛酸蓄電池中存在著大量的鉛，在廢棄后若處理不當(dāng)，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。鋰離子電池常見的鋰離子電池有三類，分別是磷酸鐵鋰電池、鉆酸鋰電池和三元鋰電池?？沙潆婁囯x子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池。相比于鉛酸蓄電池，鋰離子電池具有能量密度大，重量輕，使用壽命長，充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，是作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的選擇之一。但是，鋰電池的制造成本高，充電要求很高，要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi)，在使用過程中不可過充、過放，會(huì)損壞電池的容量及壽命。(二)燃料電池堿性燃料電池(AFC)與其它燃料電池相比，AFC功率密度和比功率較高，性能可靠。但它要以純氫做燃料，純氧做氧化劑，必須使用Pt、Au、Ag等貴金屬做催化劑，價(jià)格昂貴。電解質(zhì)的腐蝕嚴(yán)重，壽命較短，這些特點(diǎn)決定了AFC僅限于航天或軍事應(yīng)用，不適合于民用。磷酸燃料電池(PAFC)以磷酸做為電解質(zhì)，可容許燃料氣和空氣中C02的存在。這使得PAFC成為最早在地面上應(yīng)用或民用的燃料電池。與AFC相比它可以在180°C—210°C運(yùn)行，燃料氣和空氣的處理系統(tǒng)大大簡化，加壓運(yùn)行時(shí)，可組成熱電聯(lián)產(chǎn)。但是,PAFC的發(fā)電效率目前僅能達(dá)到40%—45%(LHV),它需要貴金屬鉑做電催化劑；燃料必須外重整：而且，燃料氣中C0的濃度必須小于1%(175°C)—2%(200°C),否則會(huì)使催化劑中毒；酸性電解液的腐蝕作用，使PAFC的壽命難以超過40000小時(shí)。PAFC目前的技術(shù)已成熟，產(chǎn)品也進(jìn)入商業(yè)化，做為特殊用戶的分散式電源、現(xiàn)場可移動(dòng)電源和備用電源，PAFC還有市場，但用作大容量集中發(fā)電站比較困難。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)在650°C—700C運(yùn)行，可采用鎳做電催化劑，而不必使用貴重金屬：燃料可實(shí)現(xiàn)內(nèi)重整，使發(fā)電效率提高，系統(tǒng)簡化；CO可直接用作燃料；余熱的溫度較高，可組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，使發(fā)電容量和發(fā)電效率進(jìn)一步提高。與SOFC相比，MCFC的優(yōu)點(diǎn)是：操作溫度較低，可使用價(jià)格較低的金屬材料，電極、隔膜、雙極板的制造工藝簡單，密封和組裝的技術(shù)難度相對(duì)較小，大容量化容易，造價(jià)較低。缺點(diǎn)是：必須配置C02循環(huán)系統(tǒng)；要求燃料氣中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸鹽具有腐蝕性，而且易揮發(fā)；與SOFC相比，壽命較短；組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的效率比SOFC低。與低溫燃料電池相比，MCFC的缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長，不適合作備用電源。MCFC己接近商業(yè)化，示范電站的規(guī)模已達(dá)到2MW。從MCFC的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢看，MCFC是將來民用發(fā)電(分散電源和中心電站)的理想選擇之一。⑷固體氧化物燃料電池(SOFC)電解質(zhì)是固體，可以被做成管形、板形或整體形。與液體電解質(zhì)的燃料電池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了電解質(zhì)蒸發(fā)和電池材料的腐蝕問題，電池的壽命較長(達(dá)到70000h以上)。CO可做為燃料，使燃料電池以煤氣為燃料成為可能。SOFC的運(yùn)行溫度在1000°C左右，燃料可以在電池內(nèi)進(jìn)行重整。由于運(yùn)行溫度很高，要解決金屬與陶瓷材料之間的密封也很困難。與低溫燃料電池相比，SOFC的啟動(dòng)時(shí)間較長，不適合作應(yīng)急電源。與MCFC相比，SOFC組成聯(lián)合循環(huán)的效率更高，壽命更長(可大于40000h)；但SOFC面臨技術(shù)難度較大，價(jià)格可能比MCFC高。示范業(yè)績證明SOFC是未來化石燃料發(fā)電技術(shù)的理想選擇之一，既可用作中小容量的分布式電源(500kw—50MW)，也可用作大容量的中心電站(>IOOMW)。尤其是加壓型SOFC與微型燃?xì)廨喗Y(jié)合組成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的示范，將使SOFC的優(yōu)越性進(jìn)一步得到體現(xiàn)。(5)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)PEMPC的運(yùn)行溫度較低(約80°C),它的啟動(dòng)時(shí)間很短，在幾分鐘內(nèi)可達(dá)到滿負(fù)荷。與PAFC相比，電流密度和比功率都較高，發(fā)電效率也較高(45%一50%(LHV)),對(duì)CO的容許值較高(VlOppm)。PEMFC的余熱溫度較低，熱利用率較低。與PAFC和MCFC等液體電解質(zhì)燃料電池相比，它具有壽命長，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。PEMFC是理想的可移動(dòng)電源，是電動(dòng)汽車、潛艇、航天器等移動(dòng)工具電源的理想選擇之一。目前，在移動(dòng)電源、特殊用戶的分布式電源和家庭用電源方面有一定的市場，不適合做大容量中心電站。⑹直接甲醇燃料電池(DMFC)DMFC是直接以甲醇為原料，甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反應(yīng)。直接甲醇燃料電池的優(yōu)勢在于燃料的使用便利，清潔環(huán)保，沒有氫氣壓儲(chǔ)運(yùn)用的難題，缺點(diǎn)是目前質(zhì)子交換膜的甲醇透過嚴(yán)重，造成燃料浪費(fèi)，機(jī)器的性能衰減快。⑺水氫燃料電池(AHFC，水氫機(jī))AHFC是一種特殊的PEMFC，它在原有的PEMFC技術(shù)上增加了制氫系統(tǒng)。制氫系統(tǒng)采用小型甲醇重整制氫技術(shù)，甲醇作為制取氫氣的儲(chǔ)能原料，氫氣因需而產(chǎn)，即產(chǎn)即用。制氫系統(tǒng)的運(yùn)行溫度在200~400C左右，依目前的技術(shù)水平，AHFC的冷啟動(dòng)時(shí)間約30分鐘。因?yàn)樵黾恿酥茪湎到y(tǒng)，發(fā)電效率相比于PEMFC會(huì)相對(duì)低一點(diǎn)，但整體上已經(jīng)可以達(dá)到35%-45%的能效。雖然AHFC增加了制氫模塊，但相對(duì)的，也解決了氫氣來源的問題。限制純電動(dòng)汽車、氫燃料電池汽車等新能源汽車發(fā)展的一個(gè)重大因素是，其電能/原料供給的限制。純電動(dòng)汽車存在充電時(shí)間長，充電樁設(shè)樁困難等問題，建設(shè)加氫站則需要?dú)錃饧訅航祲杭皟?chǔ)存等國際前沿技術(shù)的支撐，運(yùn)營成本高，高壓儲(chǔ)氫罐也存在一定的安全憂患。AHFC以甲醇水溶液為原料，在實(shí)際的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加注上可基本效仿汽、柴油的管理模式，為燃料電池汽車推廣提供可行方案。水氫燃料電池主要由若干個(gè)制氫單元、發(fā)電單元和控制單元集成組成。其工作原理是：以甲醇水為原料，在制氫系統(tǒng)中進(jìn)行“汽化-催化重整-純化”的反應(yīng)制得高純氫，高純氫再通過發(fā)電系統(tǒng)（氫燃料電池系統(tǒng)）進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，將高純氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┩饨缡褂玫碾娔??？刂茽?wèi)st薛水箱水氫燃料電池原理圖控制爲(wèi)st薛水箱水氫燃料電池原理圖扭機(jī)總結(jié)雖然目前鋰離子電池當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)成熟度遠(yuǎn)高于燃料電池，但是燃料電池是高于鋰電池一個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)，是未來發(fā)展的終極方向。傳統(tǒng)的罐氫燃料電池路線的發(fā)展面臨四大困境：1、氫氣大規(guī)模生產(chǎn)、運(yùn)輸和加注（加氫站）過程的綜合使用成本較高；2、終端加氫站的建設(shè)是政府層級(jí)的難題；3、氫氣的大規(guī)模制備和用氫成本。盡管2015年、2016年豐田、本田

先后發(fā)布了燃料電池汽車，量產(chǎn)化的燃料電池汽車，實(shí)際上是引爆了整個(gè)行業(yè)，但以上氫燃料電池面臨的難點(diǎn)不得