燃料电池的分类

燃料电池使用氢和氧作为燃料，使用化学能直接转化为电能，而且其生产的副产品比较清洁，是水和二氧化碳。当然，随着碳中和政策的逐步推进，只产生水的燃料电池自然会在未来的应用中占据更加有利的地位。

燃料电池的结构是就是正极、负极和正负极之间的电解质。

按照工作原理来说，燃料电池可以分成直接氢燃料电池和间接氢燃料电池。直接燃料电池主要有碱性燃料电池、熔融硝酸燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换码燃料电池（PEMFC）等几种。间接燃料电池主要是甲醇燃料电池、中温（100~300°C）和高温（500°C以上）三种燃料电池。

碱性燃料电池的是以强碱作为电解质，燃料是氢气，氧化剂是纯氧或者去除二氧化碳的空气，氧电极使用铂碳和银，氢电极使用铂钯碳或者镍等，隔膜是浸泡碱液的多空石棉，双极板是多空的碳板和镍板等。工作温度是20~70°C。生成的最终产物是水。关键的材料是各种催化剂，当然就会在杂质的影响下产生催化剂中毒反应。碱性燃料电池的能量转换效率高，成本低，启动容易，低温工作性能好，易于热管理。但是它对二氧化碳比较敏感，电解液泄露会造成人身危险，也需要较大的冷却装置。只要应用的场景为航天、军事、汽车和民用发电的场景。

磷酸燃料电池的电解液是磷酸，燃料是氧气，氧化剂为空气，最终的产业为水。工作温度为180°C~210°C之间。其阴阳极催化剂为铂或者铂合金，所以价格比较昂贵，目前有人在研究用碳、铁等物质代替。目前磷酸燃料电池的隔膜材料使用碳化硅比较多。100%纯磷酸的固化温度是42°C，当电池停止运行，其电解液会产生固化，所以其工作的温度一定要在42°C以上。由于酸具有强腐蚀性，所以磷酸燃料电池的双极板都使用石墨。磷酸燃料电池的对于一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等杂质都很敏感，但是对二氧化碳的耐受力比较强，工作温度较高，其运行时能够产生热水，所以能够实现热电交联工作，排气清洁对环境污染小，噪音较低。但是其发电的效率较低，必须使用铂作为催化剂，成本较高。由于磷酸的腐蚀性，所以电池的工作寿命很难超过5500小时，电堆的启动时间比较长，需要几个小时。不适合成为中小型移动电源。所以，磷酸燃料电池的工作场景一般是发电厂中。

熔融碳酸盐燃料电池使用碱金属的碳酸盐作为电解质，典型的电解质是62%的碳酸锂和38%的碳酸钾。工作温度为599°C~699°C之间。原料为氢气或者一氧化碳，氧化剂为氧气。总反应为水和二氧化碳。从其产物来看，不符合碳中和的目标。

固体氧化物燃料电池的燃料不必是纯氢，选择范围非常广泛，就可以直接使用氢气、甲烷、一氧化碳和煤气等多种燃料。固体氧化物燃料电池的导电离子分成两种类型：氧离子导电电解质燃料电池和质子导电电解质燃料电池。目前研究工作主要放在氧离子导电燃料电池的研究上。其总的产物为水。当然，如果输入的燃料是CH4，一定会有二氧化碳产生。其电解质材料分成三种：萤石结构、钙钛矿结构（神奇的东西，在光伏中也是它的身影）、磷灰石类。此燃料电池的阴阳极材料包含铂、镍、钴、银、锰、钌、镧系元素等，虽然催化剂不用贵金属，但是其成本是较高的。其工作温度在600°C~1000°C之间，可能实现热电联产，实现高达80%的能源利用率。这点优势真是太强大了，碳达峰首先从节能减排开始，提高了能源的利用率，不论是减少碳排放还是企业增收都是极有好处的。

直接甲醇燃料电池能够在室温下工作，可以应用于军事领域作为小型的电源使用，也可以用于医疗和通信领域等。直接甲醇燃料电池的燃料是甲醇，使用空气或者氧气作为氧化剂，输出的成分是水和二氧化碳。从碳中和的角度，并不是非常理想。它的关键材料是阳极催化剂，阴极催化剂和质子交换膜。它的阳极催化剂可以使用铂-钌合金、金属氧化物催化剂，可能使用的金属包含Sr、Ce、Pb、La、Co、Pt、Pd、Ru等，很多都是非常稀有的金属。而阴极催化剂使用的是铂碳合金。质子交换膜主要用于阻断阴阳极成本，转移质子病逝电子绝缘，目前这部分的研究是重点。

质子交换膜燃料电池可以在低温下工作，启动时间短，对环境污染小。小到充电宝，大到电站都能够使用。前段时间装载了潍柴质子交换膜燃料电池的重卡在低温环境下正常启动运行，就是因为这些特性。质子交换膜燃料电池的燃料是氢，氧化剂是氧，产物是水。其电解质是全氟磺酸型固体聚合物，使用铂碳催化剂或者铂钯碳催化剂。质子交换膜是一种选择透过性多孔膜，主要作用是为氢质子提供通道，同时隔离两极的燃料气体和氧化气体。原先的质子交换膜使用的是全氟磺酸质子交换膜，它的机械强度高，化学稳定性好，在高湿度条件下具有高导电率，在低温条件下具有高电流密度，和低质子传导性。但是它的质子电导率随着温度升高而降低，制造成本高昂，还可能在高温下产生化学溶解。所以加拿大的Ballard公司研制了一种质子交换膜，具有较好的电化学稳定性、热稳定性、机械性能、低摩尔质量和高含水量。由于它的催化剂中含有铂，价格昂贵，未来替代性的解决方案是研究的重点。质子交换膜燃料电池一般都设计成标准大小的单电池，根据现场的需求再级联成电池组。在汽车场景下，空间狭小，单位体积输出的功率就是关键的指标，而在电厂等场景下，关注的重点是效率。质子交换膜燃料电池的工作温度低于100°C，所以需要对电池的温度、水（太多会降低O2的传到速度，降低功率）进行管理，同时为防止电池组内部燃料、氧化剂和冷却液之间相互渗透，也需要在设计和组装的时候，密封良好。

质子交换膜燃料电池有很多优点。它不会造成化学腐蚀，对人体没有威胁。燃料来源广，适应性高。低温启动，工作温度在60~80°C。转化效率40~60%之间。水是唯一的产物，绿色环保。维修简单。噪音低。当然它也有不少缺点：质子交换膜的工作温度要求比较严格，需要一定的温度管理能力。对含水量的要求较高。成本高，工艺繁琐。

从以上资料可以比较清楚的看出，质子交换膜燃料电池是比较适合于车辆使用的燃料电池。催化剂和质子交换膜的设计、制造远远没有达到一家独大的程度，还需要大量的研发投入。而从单电池，到电堆，再到车辆的动力总成，也需要大量的人力物力投入。

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