2016年中国燃料电池原理、发展历程及应用领域分析

核心提示：（一）燃料电池是一种能效转换率高、清洁可靠的新兴动力燃料电池是是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式。燃料电池

　　（一）燃料电池是一种能效转换率高、清洁可靠的新兴动力

　　燃料电池是是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式。燃料电池可以持续发电，且生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保。

燃料电池通过电化学方式取得能量

燃料电池是直接发电的原理

　　与目前在发电厂和乘用车广泛使用的以燃烧为基础的技术相比，燃料电池拥有很多优势。由于其没有传统热机卡诺循环的限制，具有远高于内燃机 30%-35%的能源转换效率，燃料电池最高能效转化率超过 60%，且具备污染低、无机械震动、噪音低、能适应不同功率要求、可连续性发电、可靠性高等优势性能。

传统火力发电总能源转换效率只有 25%

部分燃料电池总能源转换效率可达 60%

　　燃料电池有广泛的应用，主流应用包括交通运输、电源及军事应用等。固定电源如为城市工业区、商业区、住宅、边远地区及孤立海岛、轮船离岸应用供电市场目前占比最大；备用电源是美国发展最快的应用之一，这里燃料电池用于大型通信设备、数据中心和家庭的备用电源；航空航天应用是历史最悠久的燃料电池应用之一，用作宇宙飞船、人造卫星、空间站等航天系统的能源供应。

　　汽车燃料电池领域，近年来，在政府扶持、丰田等厂商拉动、系统成本下降等因素带动下，汽车燃料电池应用开始爆发。

　　（二）燃料电池的历史来源及发展历程

时间	发展
1838 年	燃料电池的原理由德国化学家尚班（Christian Friedrich SchÖnbein）提出，并刊登在当时著名的科学杂志。
1839 年	英国物理学家威廉葛洛夫把刊登燃料电池理论，其后又把燃料电池设计草图于 1842 年刊登。
到 20 世纪 50 年代以前	燃料电池一直处于理论与应用基础的研究阶段。燃料电池理论和类型也不断丰富，1952 年英国剑桥大学的 Bacon 用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。在此前期间，GE（通用电气）资助了 PEMFC 质子交换膜燃料电池的研究。
20 世纪 60 年代	由于载人航天对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池才引起一些国家与军工部门的高度重视。美国 NASA（国家航空航天局）的 Apollo 登月计划中就是采用燃料电池为太空船提供电力和饮用水的，是美国联合技术公司的 UTC Power 通过引进培根专利，成功研制了 Apollo 登月飞船的主电源——Bacon 型中温氢氧燃料电池，双子星宇宙飞船(1965)也采用了通用的 PEMFC 为主电源。再此之后，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功，可见，燃料电池在当时已是一种被验证的相对成熟的技术。
20 世纪 70-80 年代	能源危机和航天军备竞赛大大推动了燃料电池的发展。以美国为首的发达国家开始大力支持民用燃料电池的开发，至今还有数百台当时投资的 PC25（200 千瓦）磷酸燃料电池电站在世界各地运行。此后，各种小功率燃料电池也开始在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
20 世纪 90年代至今	人类日益关注环境保护。以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车、直接甲醇燃料电池的便携式移动电源、高温燃料电池电站、用于潜艇和航天器的燃料电池等蓬勃发展。

　　（三）燃料电池的应用已经较为广泛

　　燃料电池有三大类主要市场：固定电源、交通运输和便携式电源。

　　固定电源应用是目前最大的市场固定电源市场包括所有的在固定的位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电，它还可以作为动力源可以安装在片源远位置，如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带，对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大，其中美国市场目渗透率略高，大型企业的数据中心使用量呈较明显的上升趋势。

　　除用于发电之外，热电联产（CHP）燃料电池系统还可以同时为工业或家庭供电和供热。

燃料电池具备多种主流应用