質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介

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1、質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介目錄燃料電池的概念燃料電池的分類(lèi)燃料電池的優(yōu)勢(shì)燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池汽車(chē)燃料電池的概念燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。從結(jié)構(gòu)上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”，而是一個(gè)“發(fā)電廠”。電能轉(zhuǎn)換效率一般為45%-60%，而火力發(fā)電的效率一般在30%-40%。燃料電池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。最近五年商業(yè)化發(fā)展非常迅速，在航空航天、交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子產(chǎn)品及固定供電供熱裝

2、置等領(lǐng)域有了很多成功運(yùn)用。目前燃料電池根據(jù)應(yīng)用方式不同，分為三大應(yīng)用領(lǐng)域類(lèi)型：移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運(yùn)輸(Transport)燃料電池的分類(lèi)燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類(lèi)得到了發(fā)展堿性燃料電池（AlkalineFuelCell,AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液磷酸鹽型燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)熔融碳酸鹽型燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）采用熔融態(tài)碳酸鹽作為其

3、電解質(zhì)固體氧化物型燃料電池（SolidOxideFuelCell,SOFC）采用固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)直接甲醇燃料電池(DirectMethanolFuelCell，DMFC）屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類(lèi)，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來(lái)源，而不需通過(guò)甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)介質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefue

4、lcell，英文簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC)，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。兩電極的反應(yīng)分別為：陽(yáng)極(負(fù)極)：2H2-4e=4H+陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)

5、外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱(chēng)電堆)。燃料電池工作原理圖燃料電池電堆照片燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖直接甲醇燃料電池DMFC屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類(lèi)，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來(lái)源，而不需通過(guò)甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。相較于質(zhì)子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池具備低

6、溫快速啟動(dòng)、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性。這使得直接甲醇燃料電池可能成為未來(lái)便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。體積小巧，燃料使用便利，潔凈環(huán)保，可以用作移動(dòng)電話和膝上型電腦的電源，將來(lái)還具有為指定的終端用戶(hù)使用的潛力；其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。燃料電池的優(yōu)勢(shì)潔凈、安全的發(fā)電裝置有害氣體ＳＯx(chóng)、ＮＯx(chóng)及噪音排放都很低；積木化強(qiáng)，規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，能量轉(zhuǎn)化效率高直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，不受卡諾效率限制。。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電

7、能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。多燃料系統(tǒng)、燃料熱值高可根據(jù)各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等……我國(guó)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展歷程燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀燃料電池可提供多樣化的能源解決方案，將來(lái)極有可能替代傳統(tǒng)的電源供應(yīng)裝置，如電池、內(nèi)燃機(jī)。燃料電池的應(yīng)用及其廣泛，從家庭供電供熱、移動(dòng)電子設(shè)備供電到汽車(chē)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)燃料電池的應(yīng)用方式，一般分為移動(dòng)型（Portable)、固定型(Stati

8、onary)、交通運(yùn)輸型(Transport)；2010年，全球燃料電池總出貨量同比增長(zhǎng)40%，達(dá)到了創(chuàng)歷史記錄的23萬(wàn)套，其中，移動(dòng)型燃料電池約占總出貨量的95%。值得注意的是，2010年全球銷(xiāo)售的燃料電池中有超過(guò)97%使用的是PEMFC，即質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，該類(lèi)型燃料電池被認(rèn)為最適合應(yīng)用于新能源汽車(chē)。2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)應(yīng)用方式劃分）單位：