燃料电池技术——通过电化学反应发电的一种精密装置正向着更高的历程杯奔跑

 

通过电化学反应发电

燃料电池类似于电池，因为它通过电化学反应产生电能。电池和燃料电池都将化学势能转化为电能，并且作为该过程的副产品，还转化为热能。然而，电池内部储存了封闭的能量，一旦能量耗尽，就必须丢弃电池或使用外部电源为反向驱动电化学反应进行充电。

 

 

 

燃料电池中的电化学反应

 

 阴极：O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O

阳极：2H2 → 4H+ + 4e–

整体：2H2 + O2  → 2H2O

 

另一方面，燃料电池使用外部化学能供应，只要供应氢源和氧源（通常是空气），就可以无限期地运行。氢的来源通常被称为燃料，这就是燃料电池的名称，尽管不涉及燃烧。相反，氢的氧化以非常有效的方式通过电化学方式发生。在氧化过程中，氢原子与氧原子反应生成水；在此过程中，电子被释放并作为电流流过外部电路。

 

燃料电池可以从仅产生几瓦电力的微型设备到产生兆瓦电力的大型发电厂。所有燃料电池都基于一个中心设计，使用两个电极，这些电极由固体或液体电解质隔开，在它们之间携带带电粒子。通常使用催化剂来加速电极处的反应。燃料电池类型通常根据它们使用的电解质的性质进行分类。每种类型都需要特定的材料和燃料，适用于不同的应用。

 

燃料电池有六大类，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和磷酸燃料电池 (PAFC)。

 

如今，燃料电池的应用范围很广，从为家庭和企业提供电力，到为消费电子产品充电，再到移动各种车辆，包括仓库叉车车队、公共汽车、卡车、汽车等。今天，燃料电池被用于许多应用，例如固定电源、车辆和物料搬运。

 

燃料电池当前面临的挑战包括贵金属基电催化剂的高成本、PEM 燃料电池中的碳腐蚀、燃料和空气中的杂质——启动和停止（循环）、冷冻和解冻，以及湿度和负载循环，这些都会对电池造成压力燃料电池系统材料和组件的化学和机械稳定性。

燃料电池电堆是燃料电池系统中的核心构件，由膜电极、双极板、集流板、绝缘板、端板和紧固件等组成，起到为燃料电池发动机提供动力的作用，其成本约占燃料电池系统成本的65%左右。一般而言，理想的燃料电池电堆需要具备高功率密度、长使用寿命、良好的低温启动能力和低成本等特性。GGII统计显示，目前国内企业研发生产的电堆功率主要集中在50kW到150kW区间。

 

按照双极板类型不同，燃料电池电堆可分为石墨板电堆和金属板电堆两种。石墨板电堆的优势在于耐腐蚀，寿命长，金属板电堆的主要优点在于功率密度高，因此，目前市面上的大功率电堆以金属板电堆为主，主要应用于乘用车，中小功率电堆以石墨板电堆为主，主要面向于商用车。

 

就出货情况来看，根据GGII最新数据，2022H1中国氢燃料电池电堆市场规模约为5.4亿元，同比上年同期增长15%，排名前十的企业中石墨（复合）板电堆企业与金属板电堆企业数量相同均为5家，相比2021年六/四开的比例，金属板电堆企业的出货量正在快速增长。

 

此外，作为电堆中的关键零部件，膜电极、双极板等技术壁垒较高，早期主要依赖进口，成本高昂，近年来国内的电堆企业或通过推进电堆关键零部件研发生产自主化，或通过资本整合进行氢能全产业链布局来降低电堆成本，提升市场竞争力。