氫燃料電池的工作原理.doc

《氫燃料電池的工作原理.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、氫燃料電池的工作原理燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由3部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)，如圖1[3]。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)?！　∫再|(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下：　　(1)氫氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；　　(2)在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：　　H2→2H++2e?！　?3)在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水

2、，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++2e→H2O　　總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2＝H2O　　電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。　　3PEMFC的特點(diǎn)及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀　　燃料電池種類(lèi)較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車(chē)電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。　　PEMFC發(fā)電機(jī)由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時(shí)為防止汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池

3、濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖2是一個(gè)典型的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]?！　?1)PEMFC作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用　　PEMFC作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類(lèi)：一是可用作便攜式電源、小型移動(dòng)電源、車(chē)載電源等。適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實(shí)際應(yīng)用是手機(jī)電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負(fù)式通訊電源、衛(wèi)星通訊車(chē)載電源等。二是用作自行車(chē)、摩托車(chē)、汽車(chē)等交通工具的動(dòng)力電源，以滿足環(huán)保對(duì)車(chē)輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電源。　　國(guó)際上，PEMFC研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)是加拿

4、大Ballard能源系統(tǒng)公司。美國(guó)H-Power公司于1996年研制出世界上第一輛以PEMFC發(fā)電機(jī)為動(dòng)力源的大巴士[5]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃料電池電動(dòng)車(chē)的研發(fā)也極為重視，被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車(chē)、中巴車(chē)樣車(chē)，其性能接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?！　?2)PEMFC作為固定式電源的應(yīng)用　　PEMFC除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰；也可作為獨(dú)立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)、或作為國(guó)防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。　　采用多臺(tái)PEMFC發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)成分散式

5、供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：①可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；②有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無(wú)噪聲，可就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80%以上；③受戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的主動(dòng)防護(hù)需要；④通過(guò)天燃?xì)?、煤氣重整制氫，可利用現(xiàn)有天燃?xì)狻⒚簹夤庀到y(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料；通過(guò)再生能源制氫（電解水制氫、太陽(yáng)能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。國(guó)際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢(shì)?！　?/p>

6、(3)氫能電源的軍事應(yīng)用前景　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為核心的新興信息技術(shù)將滲透到戰(zhàn)場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，從偵察、監(jiān)視到預(yù)警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動(dòng)化、精確制導(dǎo)和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的、決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素，它不僅構(gòu)成總體作戰(zhàn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而且成為總體作戰(zhàn)能力的“倍增器”。電源作為信息技術(shù)裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關(guān)重要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分?！　∮捎赑EMFC發(fā)電機(jī)工作溫度低，紅外輻射少，無(wú)震動(dòng)，沒(méi)有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代軍用電源。1998年8月，

7、美國(guó)國(guó)防部在向國(guó)會(huì)國(guó)防委員會(huì)呈遞的報(bào)告中指出：移動(dòng)電力是永久性防御設(shè)施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術(shù)替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來(lái)發(fā)電系統(tǒng)采用氫氣作為主燃料開(kāi)辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過(guò)60%）很高，操作維護(hù)極為簡(jiǎn)單，燃料電池發(fā)電機(jī)使氫能源作為主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。因此，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(fā)電系統(tǒng)、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰(zhàn)?！　EMFC發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級(jí)移動(dòng)設(shè)備、水下潛艇、軍事工