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燃料電池種類、原理及研究進展

一. 燃料電池簡介

1.定義

燃料電池(Fuel Cells)是一種不需要經過卡諾循環的電化學發電裝置,能量轉化率高。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。由于在能量轉換過程中,幾乎不產生污染環境的含氮和硫氧化物,燃料電池還被認為是一種環境友好的能量轉換裝置。由于具有這些優異性,燃料電池技術被認為是21世紀新型環保高效的發電技術之一。隨著研究不斷地突破,燃料電池已經在發電站、微型電源等方面開始應用。

2.基本結構

燃料電池的基本結構主要是由四部分組成,分別為陽極、陰極、電解質和外部電路。通常陽極為氫電極,陰極為氧電極。陽極和陰極上都需要含有一定量的電催化劑,用來加速電極上發生的電化學反應,兩電極之間是電解質。

圖1.燃料電池基本結構示意圖

3.分類

目前燃料電池的種類很多,其分類方法也有很多種。按不同方法大致分類如下:

(1)按運行機理來分類:可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池;

(2)按電解質的種類來分類:有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質;

圖2.燃料電池分類詳細介紹

(3)按燃料的類型來分類:有直接式燃料電池和間接式燃料電池;

(4)按燃料電池工作溫度分:有低溫型(低于200℃);中溫型(200-750℃);高溫型(高于750℃)。

4.原理

燃料電池的工作原理相對簡單,主要包括燃料氧化和氧氣還原兩個電極反應及離子傳輸過程。早期的燃料電池結構相對簡單,只需要傳輸離子的電解質和兩個固態電極。當以氫氣為燃料,氧氣為氧化劑時,燃料電池的陰陽極反應和總反應分別為:

陽極:H2 → 2H++2e-

陰極:1/2 O2+2H++2e-→H2O

總反應:H2+1/2O2 →H2O

其中,H2通過擴散達到陽極,在催化劑作用下被氧化成和e-,此后,H+通過電解液到達陰極,而電子則通過外電路帶動負載做功后也到達陰極,從而與O2發生還原反應(ORR)。

圖3.燃料電池原理示意圖

二. 燃料電池應用

時至今日,己有多種類型的燃料電池根據不同的應用需求被研發出來。按導電離子類別可分為酸性燃料電池、堿性燃料電池、烙融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池(SOFC)。酸性燃料電池還可細分為PEMFC、直接醇類燃料電池和磷酸燃料電池。各類燃料電池皆有其工作特性,工作溫度低至-40°C、高至1000°。可根據不同的需求選擇燃料電池類型。其中PEMFC是最近幾十年里受關注最多的燃料電池。PEMFC不僅具備燃料電池的普遍特征,還有可低溫下快速啟動和工作、無電解液流失、壽命長、比功率與比能量高等突出優點,被認為是將來替代內燃機作為汽車動力電源最理想方案。

由于燃料電池模塊化、功率范圍廣和燃料多樣化等特點,能被應用于多種場合:小至代步車電源、移動充電裝置,大至兆瓦級發電站。實際上,燃料電池的商業化進行得如火如茶。資料顯示,從2008年至2011年,世界范圍內燃料電池作為通訊網絡設備、物流和機場地勤的備用電源市場份額増長了214%。預計至2020年,燃料電池的市場總值將達到192化美元。

圖4.燃料電池的應用

具體應用作簡單介紹如下:

(1)便攜式電源

便攜式電源市場銷售額的逐年増長吸引了許多電源技術,其產品包括:筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設備,為方便個人攜帶,便攜式移動電源的基本要求通常要求電源具有高比能量、質輕小巧等特點。而燃料電池的能量密度通常是可充電電池的5到10倍,使其具有較大的競爭力.此外,燃料電池不需要額外充電的特點也使它能適應更長久的野外生活。目前,己有直接甲醇燃料電池(DMFC)和PEMFC被應用為軍用單兵電源和移動充電裝置上。成本、穩定性和壽命將是燃料電池應用于便巧式移動電源的所需要解決的技術問題。

(2)固定電源

固定電源包括緊急備用電源、不間斷電療、偏遠地區獨立電站等。目前,燃料電池每年占據全球約70%的兆瓦級固定電源市場,相比于傳統的鉛酸電池,燃料電池具有更長的運行時間(大約為鉛酸電池的5倍)、更髙的比能皇密度、更小的體積和更好的環境適應性。對于智能電網難以到達的偏遠地區和緊急事故發生地,獨立電站被認為是最經濟且可靠的供電方式。在我國多次的地展災害中,燃料電池被用作獨立電站,為救災工作發揮了重要作用。需要注意的是,固定電站通常需要較長的壽命(大于80000小時),這是燃料電池技術應用于固定電站的最大技術挑戰。

(3)交通動力電源

交通動力電源一直是清潔能源技術研發的主要誘導因素,因為全球17%的溫室氣體(CO2)都是由基于化石燃料的交通動力產生,另外還伴隨著其他的大氣污染問題,如霧霾等。H2為燃料的PEMFC被認為是內燃機的最佳替代動力,主要原因是:(a)尾氣只有水,無任何污染排放;(b)燃料電池的工作效率極高(53%-59%),幾乎是傳統內燃機的兩倍;(c)低溫快速啟動、運行噪音低且運行穩定,世界諸多國家都在推進燃料電池交通動力方案,日本是其中最激進的國家之一。日本計劃在2025年之前,建設超過1000個加氨站和運行200萬輛燃料電池汽車。2015年,日本豐田汽車公司開始售賣世界上第一輛PEMFC為主要動力電源的汽車Mirai,標志著燃料電池技術應用于汽車動力的新紀元。

圖5. 豐田燃料電池汽車Mirai照片

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