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    詳解氫燃料電池的工作原理及系統結構

    來源:寶鄂實業    2019-08-04 16:59    點擊量:
    雖然燃料電池名字里面有“燃料”字樣,同時氫氣也能夠跟氧氣在一起劇烈燃燒,但在燃料電池卻不是利用燃燒來獲取能量,而是利用氫氣跟氧氣化學反應過程中的電荷轉移來形成電流的,這一過程最關鍵的技術就是利用特殊的“電解質薄膜”將氫氣拆分,整個過程可以理解成蚊子無法穿過紗窗,但是更小的灰塵卻可以……
     
    因為氫分子體積小,可以透過薄膜的微小孔洞游離到對面去,但是在穿越孔洞的過程中,電子被從分子上剝離,只留下帶正電的氫質子通過,氫質子被吸引到薄膜另一側的電極與氧分子結合。電解質薄膜兩側的電極板將氫氣拆分成氫離子(正電)和電子、將氧氣拆分成氧離子(負電)和電子,電子在電極板之間形成電流,兩個氫離子和一個氧離子結合成為純水,是反應的廢物。所以本質來講,整個運行過程就是發電過程。
     
     
    氫燃料電池系統結構
     
    氫燃料電池系統是由電堆(核心)、氫氣供給循環系統、空氣供給循環系統、水熱管理系統、電控系統、智能監控系統相互協調構成。
     
    氫燃料電池系統核心零部件
     
    1、電堆(Galvanicpile),分為水冷電堆和空冷電堆。一般空冷電堆用于小型化設備中,如上海攀業、江蘇清能生產的空冷電堆,功率、體積較小。
     
    2、膜電極(MembraneElectrodeAssemblies),通常由氣體擴散層、質子交換膜、催化劑通過熱壓工藝制成,是氫燃料電池技術的核心。目前我國的膜電極功率密度最高達到1.0W/cm2,與國際水平的1.8W/cm2,仍有差距。
     
    3、催化劑(Fuel-cellcatalyzer),具有加速電極交換界面電荷轉移反應的催化作用,具有導電性好、耐腐蝕性、催化活性高的特點。鉑(Pt)是氫燃料電池電堆中應用最多的催化劑,但鉑很稀缺,價格高(193元/克),低鉑和非鉑催化劑成為下一步催化劑研究開發的重點。
     
    4、質子交換膜(ProtonExchangeMembrane),是氫燃料電池的心臟,具有為電解質提供氫離子通道和隔離兩極反應氣體,防止它們直接產生作用的雙重作用。其類型包括:全氟磺酸膜、非全氟化膜、無氟化膜和復合膜,其中全氟磺酸膜是主流,主要供應商是美國杜邦公司。
     
    5、雙極板(BipolarPlate),是質子交換膜氫燃料電池的關鍵零部件,影響電池的性能和成本,是制約氫燃料電池產業化的瓶頸之一。其類型分為:金屬雙極板、石墨雙極板、復合雙極板。迄今使用最廣發的是石墨雙極板,但是他制備加工工藝復雜,成本較高,不適合批量生產。
     
    6、氫燃料電池系統輔件,包括空壓機、增濕器、氫循環系統、DC/DC(直流-直流電轉換器)。目前空壓機和DC/DC有國內產品,但加濕器、氫循環系統我國處于空白狀態,全部依賴進口。
     
    氫燃料電池的優勢
     
    1、潔凈、安全的發電裝置:從發電廠、工廠,以及汽車等排出的大量各種物質是造成大氣污染和地球溫暖化的主要原因。而燃料電池可以替代這些正在使用的鍋爐和內燃機等。
     
    2、多燃料系統:在地球上,氫絕大多數是以化合物的形式存在。比如:氫氧化合物(水)和碳氫化合物??梢宰鳛槿剂想姵卦鲜褂玫奶細浠衔镏饕獊碓从谔烊粴?、液化氣、石油和煤炭等化石燃料??筛鶕鞣N燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料。
     
    3、高效率的發電裝置。
     
    4、分散型的發電裝置:規模最大的可以替代火力發電或核能發電,用于商業發電。不需要龐大的設備,不需要變送電系統;與核能相比,發生事故的危險性較小??梢越ㄔ诖蟪鞘械慕?。規模稍小的可以建在住宅小區、辦公樓、廠區甚至城市的中心地帶??梢詼p少因長距離輸送電力而產生的損耗。面向個人用途的超小型燃料電池可以作為筆記本電腦和移動便攜電話的電源。
     
    氫能源的特點
     
    1、所有元素中氫重量最輕,在標準狀態下,它的密度為0.0899g/L;在-252.7℃時,可以成為液體,若將壓力增大到數十MPa,液氫就可以變成金屬液;
     
    2、所有氣體中氫的導熱性最好,比大多氣體的導熱性高出10倍,因此在能源工業中氫時極好的傳熱載體;
     
    3、氫是自然界中最普遍的元素,據估計它構成宇宙質量的75%,出空氣中含有氫氣外,它主要以化合物的形式儲存于水中,而水是地球上最廣泛的物質,據推算,如果把海水中的氫全部提取出來,它所產生的熱量還大9000倍;
     
    4、除核燃料外,氫的發熱值是所有化石燃料、化石燃料和生物燃料中最高的,為142351kJ/kg,是汽油發熱值的3倍;
     
    5、氫燃料新能好、點燃快,與空氣混合時有廣泛的可燃范圍,而且燃點高,燃料速度快;
     
    6、氫本身無毒,與其它燃料相比氫燃燒時最清潔,除生成水和少量的氮化氫外不會產生對環境有害的污染物質,少量的氮化氫經過適當的處理也不會污染環境,而且燃燒生成的水還可以繼續之氫,反復循環使用;
     
    6、氫能利用形式多,既可以通過燃燒產生熱能,在熱力發電機中產生機械功,又可以作為能源材料用于燃料電池,或轉化為固體氫用作結構材料,用氫代替煤和石油,不需要對現有技術裝備在中大改造,現在的內燃機稍加改動即可使用;
     
    7、氫可以以氣態、液體或固態的金屬氧化物出現,能適應儲運及各種應用環境的不同要求。
     
    有以上特點可知,氫能源與其他能源相比有很大的優勢,有關專家表示,利用氫能,將成為解決未來人類能源危機的終極方案。面對全球能源枯竭的嚴重挑戰,氫能正成為世界各國研究的重點之一。氫能之所以還沒有被廣泛利用,主要是因為氫能技術還面臨著許多困難和挑戰:一是氫能制取成本高。如果從水中直接提起氫,需要用電解技術,成本太高,在經濟上不具備競爭性;二是氫氣儲存和運輸,存在技術和安全障礙;三氫能利用需要配套的基礎設施,這些設施都需要大量資金投入。盡管氫能利用受到經濟和技術約束,但從長遠趨勢看,氫能最終將成為人類社會的主流能源之一。
     
    氫燃料電池發展中遇到的困難
     
    1、氫氣的制取
     
    一般工業制氫方法有電解水、臺烴的化石燃料中制氫、太陽能光電化學分解熱化學制氫制氫、光和微生物制氫等多種方法,但是目前還沒有一種價格低廉、無污染、制作工藝成熟、技術優良的工藝方法,這個也是我們技術攻關的方向和目標。
     
    2、氫氣的儲存
     
    一般的儲存方法有常壓儲氫、高壓儲氫、液氫儲氫[7]。金屬氫化物儲氫以及吸附儲存,由于氫特別輕,無色無味,而凡容易泄漏、易在空氣中達到爆炸極限濃度就會發生爆炸,所以氫的儲存成為了制取之后又一個技術性難題。
     

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