锂电池、燃料电池那些事

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仅限于航天或特种应用，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、特种、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。

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。