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�(zhì)子交換膜燃料電池
閱讀�59395時間�2011-05-26 15:20:43

  �(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,英文簡稱PEMFC)是一�燃料電池,作為一種真正的綠色�(huán)保能� ,其極高的理論比能�(對氫-空氣體系而言 ,其理論比能量高達(dá)32940WhP kg ,�(yuǎn)�(yuǎn)大于�(xiàn)有其它任何一種化�(xué)電源)被認(rèn)為是未來交通工�� 分布式電站及各類電子�(chǎn)品等最主要的供能電源之一�

原理

  該技�(shù)是General Electric公司�20世紀(jì)50年代�(fā)明的,被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電�,用來取代原來使用的�(nèi)燃機(jī)。質(zhì)子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質(zhì)�,或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜,或聚合物電解�(zhì)膜燃料電��

  下圖顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本設(shè)�

質(zhì)子交換膜燃料電池的原理

  在質(zhì)子交換膜燃料電池�,電解質(zhì)是一片薄的聚合物�,例如聚[全氟磺]酸(poly[perfluorosulphonic]acid�,和�(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ,而電極基本由碳組�。氫流入燃料電池到達(dá)陽極,裂解成氫離子(�(zhì)子)和電�。氫離子通過電解�(zhì)滲透到陰極,而電子通過外部�(wǎng)路流�,提供電�。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰�,與電子和氫離子�(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下�

  陽極�2H2� 4H+ + 4e-

  陰極:O2 + 4H+ + 4e- � 2 H2O

  整體�2H2 + O2� 2 H2O + 能量

  �(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約�80℃。在這樣的低溫下,電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢�(jìn)行,通常用每個電極上的一層薄的白金�(jìn)行催��

  這種電極/電解�(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配(MEA�,將其夾在二個場流板中間便能�(gòu)成燃料電�。這二個板上都有溝�,將燃料引導(dǎo)到電極上,也能通過膜電極裝配導(dǎo)�。每個電池能�(chǎn)生約0.7伏的電,足夠供一個照明燈泡使�。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓,將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲��

特點

  �1)能量轉(zhuǎn)化效率高。通過氫氧化合作用,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,不通過熱機(jī)過程,不受卡諾循�(huán)的限��

 ?�?)可實現(xiàn)零排放。其的排放物是純凈水(及水蒸氣),沒有污染物排放,是�(huán)保型能源�

  �3)運行噪聲低,可靠性高。PEMFC電池組無�(jī)械運動部�,工作時僅有氣體和水的流動�

 ?�?)維�(hù)方便。PEMFC�(nèi)部構(gòu)造簡�,電池模塊呈�(xiàn)自然的“積木化”結(jié)�(gòu),使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便;也很容易實現(xiàn)“免維護(hù)”設(shè)計�

 ?�?)發(fā)電效率受�(fù)荷變化影響很�,非常適合于用作分散型發(fā)電裝置(作為主機(jī)組),也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組(作為輔機(jī)組)�

 ?�?)氫是世界上最多的元素,氫氣來源極其廣�,是一種可再生的能源資�,取之不�,用之不�。可通過石油、天然氣、甲�、甲烷等�(jìn)行重整制�;也可通過電解水制�、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣�

  �7)氫氣的生產(chǎn)、儲�、運輸和使用等技�(shù)目前均已非常成熟、安�、可��

  燃料電池使用氫氣為燃�。在�5�10年內(nèi),氫氣的來源可能仍以化石燃料重整制氫為主;但從長�(yuǎn)來說,人們更傾向于將氫氣視為儲能載體,氫氣來源將主要依靠可再生的能源資源。在人類社會�(jìn)入氫能經(jīng)�(jì)時代后,氫能將主要來自太陽能、風(fēng)�、水能、地?zé)�?、潮汐能以及生物�。太陽能、風(fēng)能、水�、地?zé)崮堋⒊毕軐⒋笠?guī)模用于發(fā)電并用于電解�,從而大量地將這些不可直接存儲的能量以氫能形式存儲起來,供人們需要時使用;此外,通過生物制氫的方�,城市和�(nóng)村地區(qū)可以從有�(jī)垃圾和植物體中獲取大量的生物能(如甲烷)�

�(yōu)缺點

  �(yōu)點:

  1、其�(fā)電過程不涉及氫氧燃燒,因而不受卡諾循�(huán)的限制,能量�(zhuǎn)換率��

  2、發(fā)電時不產(chǎn)生污�,發(fā)電單元模塊化,可靠性高,組裝和維修都很方便,工作時也沒有噪�。所以,�(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清�、高效的綠色�(huán)保電��

  3、質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度�、啟動快、比功率�、結(jié)�(gòu)簡單、操作方便等

  4、被公認(rèn)為電動汽�、固定發(fā)電站等的能源。在燃料電池�(nèi)部,�(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道,使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到�(dá)陰極,與外電路的電子�(zhuǎn)移構(gòu)成回路,向外界提供電�,因此質(zhì)子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作�,它的好壞直接影響電池的使用壽命�

  缺點�

  1、制作困�、成本高,全氟物�(zhì)的合成和磺化都非常困�,而且在成膜過程中的水�、磺化容易使聚合物變�、降�,使得成膜困難,�(dǎo)致成本較��

  2、對溫度和含水量要求高,Nafion系列膜的工作溫度�70�90�,超過此溫度會使其含水量急劇降低,導(dǎo)電性迅速下�,阻礙了通過適當(dāng)提高工作溫度來提高電極反�(yīng)速度和克服催化劑中毒的難��

  3、某些碳?xì)浠�?,如甲醇等,滲透率較高,不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的�(zhì)子交換膜�

�(yīng)�

  �(zhì)子交換膜燃料電池�(yīng)用十分廣�。實際上,凡是需要能�、動力的地方都可以應(yīng)用PEMFC。質(zhì)子交換膜燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域可分為以下三大類:

  一是用作便攜電源、小型移動電�、車載電�、備用電�、不間斷電源�,適用于軍事、通訊、計算機(jī)、地�(zhì)、微波站、氣象觀測站、金融市�、醫(yī)院及娛樂場所等領(lǐng)�,以滿足野外供電、應(yīng)急供電以及高可靠�、高�(wěn)定性供電的需��

  PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦,如手機(jī)電池。據(jù)報道,PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)時間可達(dá)1000小時,一次填充燃料的通話時間可達(dá)100小時(摩托羅拉)。適用于便攜計算�(jī)等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在�(shù)十瓦至數(shù)百瓦(東芝)。軍用背�(fù)式通訊電源的功率大約為�(shù)百瓦級。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為�(shù)千瓦��

  二是可用作助動車、摩托車、汽�、火�、船舶等交通工具動�,以滿足�(huán)保對車輛船舶排放的要��

  PEMFC的工作溫度低,啟動速度較快,功率密度較高(體積�?。┮虼耍苓m于用作新一代交通工具動�。這是一項潛力十分巨大的�(yīng)用。由于汽車是造成能源消耗和�(huán)境污染的首要原因,因�,世界各大汽車集�(tuán)競相投入巨資,研究開�(fā)電動汽車和代用燃料汽車。從目前�(fā)展情況看,PEMFC是技�(shù)最成熟的電動車動力�,PEMFC電動車被�(yè)�(nèi)公認(rèn)為是電動車的未來�(fā)展方�。燃料電池將會成為繼蒸汽�(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動力系統(tǒng)。PEMFC可以實現(xiàn)零排放或低排�;其輸出功率密度比目前的汽油�(fā)動機(jī)輸出功率密度高得多,可達(dá)1.4KW/公斤�1.6KW/��

  用作電動自行車、助動車和摩托車動力的PEMFC系統(tǒng),其功率范圍分別�300-500W�500W-2KW�2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需�100-175KW�

  PEMFC用作潛艇動力源時,與斯特林發(fā)動機(jī)及閉式循�(huán)柴油�(jī)相比,具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點,對提高潛艇隱蔽�、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意�。美國、加拿大、德�、澳大利亞等國海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動力的潛艇,這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個月之久�

  三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電�(wǎng)供電系統(tǒng)共用,主要用于調(diào)峰;也可作為分散型主供電�,獨立供電,適于用作海島、山區(qū)、邊�(yuǎn)地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站�

  與集中供電方式相�,分散供電方式有較多的優(yōu)點:�1)可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系�(tǒng);(2)有利于熱電�(lián)供(由于PEMFC電站無噪�,可以就近安�,PEMFC�(fā)電所�(chǎn)生的熱可以�(jìn)入供熱系�(tǒng)�,可使燃料總利用率高�(dá)80%以�;(3)受�(zhàn)爭和自然�(zāi)害等的影響比較小;(4)通過天然�、煤氣重整制�,使得可利用�(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系�(tǒng)等基�(chǔ)�(shè)施為PEMFC提供燃料,通過生物制氫、太陽能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)(這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的�(nóng)村地區(qū)和邊�(yuǎn)地區(qū)�,使系統(tǒng)建設(shè)成本和運行成本大大降�。因此,PEMFC電站的經(jīng)�(jì)性和�(huán)保性均很好。國際上普遍�(rèn)為,隨著燃料電池的推廣應(yīng)�,發(fā)展分散型電站將是一個趨��

  綜上所述:�(zhì)子交換膜燃料電池�(yīng)用前景廣�,市場潛力巨�,對�(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu)升級、環(huán)境保�(hù)及經(jīng)�(jì)的可持續(xù)�(fā)展均有重要意�。鑒于其重要�,燃料電池已�(jīng)被美國列為使美國保持�(jīng)�(jì)繁榮和國家安全而必須發(fā)展的27項關(guān)鍵技�(shù)之一,并被美國、加拿大等發(fā)�(dá)國家�(rèn)定為21世紀(jì)的清潔能源系�(tǒng)�2000年,燃料電池還被美國《時代》周刊評�21世紀(jì)對人類社會有重要影響的十大技�(shù)之一�

�(yīng)用前�

  �(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電作為新一代發(fā)電技�(shù),其廣闊的應(yīng)用前景可與計算機(jī)技�(shù)相媲�。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開�(fā),質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質(zhì)性�(jìn)展,微型�(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度,中、大功率�(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電系�(tǒng)的研究也取得了一定成�。由于質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電系�(tǒng)有望成為移動裝備電源和重要建筑物備用電源的主要發(fā)展方�,因此有許多問題需要�(jìn)行深入的研究。就備用氫能�(fā)電系�(tǒng)而言,除�(zhì)子交換膜燃料電池單電�、電堆質(zhì)�、效率和可靠性等基礎(chǔ)研究�,其�(yīng)用研究主要包括適�(yīng)各種�(huán)境需要的�(fā)電機(jī)集成制造技�(shù)� �(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電機(jī)電氣輸出�(bǔ)償與電力變換技�(shù),質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電機(jī)并聯(lián)運行與控制技�(shù),備用氫能發(fā)電站制氫與儲氫技�(shù),適�(yīng)�(huán)境要求的空氣(氧氣)供應(yīng)技�(shù),氫氣安全監(jiān)控與排放技�(shù),氫能發(fā)電站基礎(chǔ)自動化設(shè)備與控制系統(tǒng)開發(fā),建筑物采用�(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電電熱聯(lián)�(chǎn)�(lián)供系�(tǒng),以及質(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電站建設(shè)技�(shù)等等。采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系�(tǒng)的供電可靠�,使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與�、小型質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電裝置、太陽能�(fā)�、風(fēng)力發(fā)電等分散電源�(lián)�(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)�(zhuǎn)變,極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和�(huán)保效益�

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