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    電池專題

    燃料電池的研究方向,燃料電池基本原理。

    來源:寶鄂實業    2019-02-28 10:34    點擊量:

        燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能,不受卡諾循環效應的限制,因此效率高; 另外,燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件,故沒有噪原料,排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見,從節約能源和保護生態環境的角度來看,燃料電池是最有發展前途的發電技術。

     燃料電池的優點

      燃料電池作為第四種發電方式的裝置,與其他幾種發電方式比較起來有以下幾個主要優點:

     ?。?)燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學反應直接將化學能轉變成電能,沒有中間的能量轉化環節,因而這種發電方式能量轉化效率可高達50%。還可回收發電過程中產生的余熱。若把產生的余熱再用于發電或供暖、供水等,綜合考慮效率能達到80%。

     ?。?)燃料電池發電過程,機械部件很少,噪聲低;化學反應的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體,不會污染環境。在環境污染日趨嚴重的今天,燃料電池的這個優點尤其可貴。

     ?。?)燃料電池中所使用的燃料,既可是天然氣、煤氣和液化燃料,也可以是甲醇、沼氣乃至木柴??筛鶕煌貐^的具體情況,選用不同的燃料用于燃料電池的發電系統,這可廣開燃料來源途徑,緩解能源緊張。

     ?。?)燃料電池從中斷運轉到再啟動,輸電能力回升速度快,并可在短時間內增加和減少電力輸出。因此將這種發電系統與其他輸電網連接使用最為有利,可隨時補充電網在用電高峰時所需的部分電能。

     ?。?)燃料電池本身為一個“組合體”,所用部件可事先在工廠生產,然后組裝;它的體積小,拆裝都很方便,這可節省建電站的時間。

      燃料電池的工作原理

      人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比,既有相似,又有很大的差異。它們有著相似的發電原理,在結構上都具有電解質,電極和正負極連接端子。二者的不同之處在于,燃料電池不是一個儲存電能的裝置,實際上是一種發電裝置,它所需的化學燃料也不儲存于電池內部,而是從外部供應。在燃料電池中,反應物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極,只要使電極在電解質中處于分隔狀態,那么反應產物可同時連續不斷地從電池排出,同時相應連續不斷地輸出電能和熱能,這便利了燃料的補充,從而電池可以長時間甚至不間斷地工作。人們之所以稱它為燃料電池,只是由于在結構形式上與電池有某種類似:外特性像電池,隨負荷的增加,它的輸出電壓下降。

      燃料電池實際上是一個化學反應器,它把燃料同氧化劑反應的化學能直接轉化為電能。它沒有傳統發電裝置上的原動機驅動發電裝置,也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入,它就能不斷地輸出電能。它的反應物通常是氫和氧等燃料,它的副產品一般是無害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身,還需要燃料和氧化劑供應及反應產物排放等子系統與電池堆一起構成完整的燃料電池系統。燃料電池可以使用多種燃料,包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳氫化合物,氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相當于電解反應的逆向反應,即水的合成反應。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用,電離成離子,由于離子能夠通過二電極中間的電解質在電極間遷移,在陰電極、陽電極間形成電壓。當電極同外部負載構成回路時,就可向外供電(發電)。

    燃料電池發展歷程

      1、139年,英國科學家Grove 首先介紹了燃料電池的原理性實。
     2、1889年,L.Mond 和C.Langer 以鉑黑為電催化劑,以鉆孔的鉑為電流收集器組裝出燃料電池,當工作電流密度為3.5 mA /cm-2時電池的輸出電壓為0.73V.O這個研究已經很接近現代的燃料電池了。
    3、20 世紀60 年代,燃料電池首次應用在美國航空航天管理局(NASA)的阿波羅登月飛船上作為輔助電源,為人類登月球做出了積極貢獻。

     4、1959培根制造出能夠工作的燃料電池,也就是一部燃料電池的5kW 的焊接機。同年,\Allis-Chalmers 公司也推出了第部以燃料電池為動力的農用拖拉機。

      5、1973研究重點從航天轉向地面發電裝置,磷酸燃料電池( PAFC )、熔融碳酸鹽電池( MCFC) 以及直接采用天然氣、煤氣和碳氫化合物作燃料的固體氧化物燃料電池(SOFC) 作為電站或分散式電站相繼問世。

      1973 年發生石油危機后,世界各國普遍認識到能源的重要性人們研究了以凈化重整氣為燃料的磷酸型燃料電池(PAFC,稱為第一代燃料電池)以凈化煤氣、天然氣為燃料的熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC,稱為第二代燃料電池)還有固體氧化物電解質燃料電池(SOFC,稱為第三代燃料電池)。

     1993 年,加拿大Ballard 電力公司展示了一輛零排放、最高時速為72km/ h、以質子交換膜燃料電池(PEMFC) 為動力的公交車[2],引發了全球性燃料電池電動車的研究開發熱潮。

      6、目前在PEMFC 向商業化邁進的過程中,氫源問題異常突出,氫供應設施建設投資巨大,氫的貯存與運輸技術以及氫的制備技術等還遠落后于PEMFC 自身的發展,20 世紀末,以醇類直接為燃料的燃料電池成為了研究與開發的熱點,受到了世界各國的廣泛重視,并取得了長足的進展。