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　　燃料电池在新能源中的应用（中①）

　　主讲嘉宾

　　赵海东，2013年毕业于西安交通大学获工学博士学位。分别在日本国立材料科学研究所（nims）和美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）进行了访问学习，目前任职于山西大同大学。一直以来，从事有关贵金属和半导体纳米材料的制备及其在燃料电池、拉曼增强和光催化领域的应用，以及水处理方面的研究，参加了多个国家自然科学基金项目和973前期专项研究，主持山西省自然面上基金1项，山西省高科项目2项，大同市科技项目1项，发表了多篇SCI收录论文，授权中国发明专利2项。

　　4 核心提示燃料电池基本原理

　　燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。

　　燃料电池特点明显。由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，因此它没有像普通火力发电厂那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免过程中转换损失，转换效率高，可达60%-80%；没有运转部件，噪音小；环保，若以氢为燃料，排放是水，电池部分可实现“零排放”。

　　燃料电池的类别，根据工作温度可分为低温型、中温型和高温型三种；根据电解质的种类可分为碱性燃料电池(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)、聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)。

　　燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。

　　氢能利用的核心媒介是氢燃料电池。氢+氧通过燃料电池变为水+电流+热量。其化学总反应式为2H2+O2=2H2O+电+热。

　　氢燃料电池产业链包括制氢、储运、加氢、氢燃料电池、应用。

　　5 核心提示氢燃料电池产业链之制氢

　　氢是二次能源，都是通过一次能源转化而来。目前常用的制氢方法有化石燃料制氢（煤气化制氢、天然气制氢、石油制氢）、工业尾气副产氢回收（氯碱副产氢、焦炉气、合成氨驰放气）、热分解制氢（甲醇裂解、氨分解）、电解水制氢（风能、水能、核能、太阳能、海洋能、地热能）、其他制氢方式（生物质气化、光解水）。

　　化石燃料制氢，技术成熟、成本低、适合大规模制氢，但排放量高、气体杂质多需提纯，是我国现阶段氢气主要来源。

　　含尾气、副产氢回收，成本低、来源广泛、提纯技术成熟、回收过程碳排放量低、环境友好、适合大规模制氢，但提纯工艺相对复杂，我国氯碱工业、焦炉煤气副产氢资源丰富。

　　化学热分解制氢，转化率高、原料易得、工艺简单，但成本高，需要经过高温裂解。

　　水电解制氢技术成熟、产氢杂质少、电力资源丰富、制氢过程碳排放量低、环境友好，但能耗高，有能量损失、成本较高、减排效果受电力来源结构影响，利用核能、风能、水能、太阳能等可再生能源，水电解制氢将清洁无排放。水电解制氢相关企业有中船718所、天津市大陆制氢、苏州竞立、苏州国能圣源、扬州中电、雄韬氢雄与淳华氢能，前六所公司都是碱性水电解制氢，淳华氢能是固体聚合物水电解制氢。

　　生物质气化制氢、光解水制氢，环境友好、原料丰富，但尚未实用化、转化率低、成本高，目前还处于科研阶段。

　　6 核心提示氢燃料电池产业链之储运氢

　　氢气是世界上已知的密度最小的气体，在常温常压下，氢气的密度只有空气的1/14，即在0℃时，一个标准大气压下，氢气的密度为0.0899g/L。储运氢技术主要包括气态储运、低温液态储运、固体储运、有机液态储运。

　　高压气态储氢，单位质量储氢密度1.0—5.7%，技术成熟、充放氢速度快、成本低，但体积储氢密度低，技术突破在于提高体积储氢密度，是目前车用储氢主要采用的方法。代表企业有北京科泰克（车用储氢）、沈阳斯林达（车用储氢）、博源（湖北）实业（气罐、气罐车）、浙江巨化（储氢罐）等。

　　低温液态储氢，体积储氢密度高、液态氢纯度高，但液化过程耗能大、易挥发、成本高，技术突破在于降低能耗、成本、挥发，液氢主要用于航空航天领域，民用很少。代表企业有张家港福瑞氢能（液氢生产、低温槽车）、中国航天科技集团101所（液氢生产）。

　　固体储氢单位质量储氢密度1.0—4.5%，体积储氢密度高、安全、操作条件以实现不需要高压容器、具备纯化功能，可得到高纯度氢，但质量储氢密度低，成本高、吸放氢有温度要求，技术突破在于提高质量储氢密度、降低成本和吸放氢温度，是未来重要发展方向。代表企业有北京浩运金能（储氢合金）、宁波申江（储氢合金粉）、湖南科力远（储氢材料）等。

　　有机液体储氢，单位质量储氢密度5.0—7.2，储氢密度高、储存、运输、维护保养安全方便、可多次循环使用，但成本高、操作条件苛刻、有发生副反应的可能，技术突破在于降低成本、操作条件，可以利用传统石油基础设施进行运输和加注，很有前景。代表标企业有武汉氢阳（有机物储氢）等。

　　媒体链接：http://epaper.dtnews.cn/shtml/dtrb/20190918/89913.shtml