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关于锂电池、燃料电池那些事

时间:2019-07-24 11:32:55 编辑:Admin 阅读:0

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

(1)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。

(2)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、钴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

(1)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。

(2)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℃一210℃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%一45%(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℃)一2%(200℃),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。

(3)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)

在650℃一700℃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。

(4)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℃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一50MW),也可用作大容量的中心电站(>l00MW)。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℃),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(<10ppm)。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。

(6)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。

(7)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200~400℃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。

水氢燃料电池原理图

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到解决,燃料电池汽车仍然难以推广。

水氢燃料电池(水氢机)技术属于新型的氢能与燃料电池高度集成应用技术。其用氢方式从目前普遍的以罐氢为主转变为以甲醇水为主。甲醇水溶液在常温状况下是以液体形式存在,相比于氢气,更容易储存和运输。在水氢燃料电池工作的过程中,氢气作为中间产物存在,氢气即产即用,做到了“用氢不见氢”,避免了氢能使用上高压氢气的安全问题。

 

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