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氢燃料电池的优势与原理介绍

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/1/27     浏览次数:    

为什么要研究燃料电池

 

燃料电池的应用非常广泛,包括运输、材料处理、固定、便携式和紧急备用电源应用。与目前许多发电厂和乘用车使用的传统燃烧技术相比,燃料电池有几个优点:
1.燃料电池的工作效率比内燃机高,可以将燃料中的化学能转化为电能,效率高达60%;2.燃料电池的排放量比内燃机低;3.氢燃料电池只排放水,因此不会排放二氧化碳,也不会在运行时产生烟雾和造成健康问题的空气污染物。
此外,燃料电池在运行过程中噪音也很小,因为它所需的活动部件并不多。

燃料电池的工作原理

 

燃料电池像电池一样工作,但它们不会耗尽或需要充电,只要有燃料供应,它们就能发电和供热。燃料电池由两个电极——一个负极(或阳极)和一个正极(或阴极)——夹在电解质周围。燃料,如氢,被送入阳极,而空气被送入阴极。在氢燃料电池中,阳极上的催化剂将氢分子分离成质子和电子,它们通过不同的路径到达阴极。电子通过外部电路,产生电流。质子通过电解质迁移到阴极,在那里它们与氧和电子结合,产生水和热。


氢燃料电池部件

燃料电池系统


 

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是当前燃料电池汽车应用研究的热点。PEM燃料电池由几层不同的材料制成。PEM燃料电池的主要部件如下所述。
PEM燃料电池的核心是膜电极组件(MEA),包括膜、催化剂层和气体扩散层(GDLs)。
硬件组件用于一个意味着合并到燃料电池包括垫片,它提供一个密封是防止泄漏的气体,和双相钢板,用于组装个人PEM燃料电池与燃料电池堆栈和提供气体燃料和空气的通道。
膜电极组件
膜、催化剂层(阳极和阴极)和扩散介质一起形成PEM燃料电池的膜电极组件(MEA)。
聚合物电解质膜
聚合物电解质膜或PEM(也被称为质子交换膜)——一种经过特殊处理的材料,看起来有点像普通的厨房塑料包装——只导电带正电的离子,并阻挡电子。PEM是燃料电池技术的关键;它必须只允许必需的离子在阳极和阴极之间通过。其他通过电解质的物质会破坏化学反应。对于运输应用,膜是非常薄的-在某些情况下小于20微米。
催化剂层
在膜的两侧加一层催化剂——阳极层在一边,阴极层在另一边。传统的催化剂层包括分散在高表面积碳载体上的纳米级铂颗粒。这种负载铂催化剂与离子导电聚合物(离子单体)混合,夹在膜和gdl之间。在阳极一侧,铂催化剂使氢分子分裂成质子和电子。在阴极侧,铂催化剂通过与阳极产生的质子反应,使氧还原,产生水。在催化剂层中混合的离聚物允许质子穿过这些层。
气体扩散层
gdl位于催化剂层外,便于将反应物输送到催化剂层,以及去除产物水。每个GDL通常由一张碳纸组成,碳纤维上部分涂有聚四氟乙烯(PTFE)。气体通过GDL中的气孔迅速扩散。这些孔隙保持开放的疏水聚四氟乙烯,这防止过多的水积累。在很多情况下,GDL的内表面涂有一层薄薄的混合了聚四氟乙烯的高表面积碳,称为微孔层。微孔层可以帮助调节水保留(需要保持膜的导电性)和水释放(需要保持孔隙开放,以便氢和氧能够扩散到电极)之间的平衡。
硬件
MEA是产生动力的燃料电池的一部分,但需要硬件部件才能使MEA有效运行。
双极板
在典型的工作条件下,每个MEA产生的电压小于1v,但大多数应用需要更高的电压。因此,为了提供一个可用的输出电压,通常将多个MEAs串联起来,叠加在一起。堆栈中的每个单元被夹在两个双极板之间,以将其与相邻的单元分开。这些板,可能是由金属,碳,或复合材料,提供电池之间的导电,以及提供物理强度的堆栈。板的表面典型地包含一个“流场”,这是一组通道加工或冲压到板,以允许气体流过多边环境协定。每个板内的额外通道可用于液体冷却剂的循环。
垫圈
每一个多边环境协定在一个燃料电池堆栈是夹在两个双极板之间,但垫圈必须添加在多边环境协定的边缘,以使气密密封。这些垫圈通常是由橡胶聚合物制成的。

 

 

氢燃料电池系统

氢燃料电池系统

燃料电池系统的设计是复杂的,并且根据燃料电池的类型和应用会有很大的不同。然而,在许多燃料电池系统中发现了几个基本成分:
燃料电池堆
燃料电池堆是燃料电池动力系统的核心。它通过燃料电池中的电化学反应产生直流电(DC)。单个燃料电池产生的电流小于1v,这对于大多数应用来说是不够的。因此,单个的燃料电池通常被串联成一个燃料电池堆。一个典型的燃料电池堆可能由数百个燃料电池组成。燃料电池产生的能量取决于几个因素,如燃料电池类型、电池尺寸、工作温度和供应给电池的气体压力。了解更多关于燃料电池的部分。
燃料处理器
燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的形式。根据燃料和燃料电池类型的不同,燃料处理器可以是一个简单的去除杂质的吸附剂床,或多个反应堆和吸附剂的组合。
如果系统是由富含氢的传统燃料(如甲醇、汽油、柴油或气化煤)提供动力,则通常使用重整器将碳氢化合物转化为氢和碳化合物的气体混合物,称为“重整酸”。在许多情况下,重整后的产物会被送到一组反应堆中,将一氧化碳转化为二氧化碳,并去除任何残留的一氧化碳,在它被送到燃料电池堆之前,还要用吸附床去除其他杂质,如硫化合物。这个过程防止气体中的杂质与燃料电池催化剂结合。这种结合过程也被称为“中毒”,因为它降低了燃料电池的效率和预期寿命。
一些燃料电池,如熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池,在足够高的温度下工作,使得燃料可以在燃料电池中自行转化。这个过程叫做内部改革。使用内部重整的燃料电池在未重整燃料到达燃料电池之前,仍然需要捕集器来清除杂质。内部和外部重整都会释放二氧化碳,但由于燃料电池的高效率,它比内燃机(如汽油驱动的汽车)排放的二氧化碳要少。
功率调节器
功率调节包括控制电流(安培数)、电压、频率等电流特性,以满足应用的需要。燃料电池以直流电(DC)的形式发电。在直流电路上,电子只向一个方向流动。你家里和工作场所的电都是交流电(AC),它在交替循环中双向流动。如果燃料电池被用来为使用交流电的设备供电,则必须将直流电转换为交流电。
交流电和直流电都必须进行调节。电流逆变器和调节器适应来自燃料电池的电流,以适应应用的电气需求,无论是简单的电机还是复杂的公用事业电网。转换和调理只稍微降低系统效率,约2%-6%。

燃料电池性能随着反应物气体压力的增加而提高;因此,许多燃料电池系统都包括一个空气压缩机,它可以将进口空气压力提高到环境大气压力的2-4倍。对于运输应用,空压机的效率应至少达到75%。在某些情况下,还包括一个膨胀器,以从高压废气中恢复电力。扩展机效率应至少达到80%。

PEM燃料电池的核心聚合物电解质膜在干燥时不能很好地工作,因此许多燃料电池系统都为进气口安装了加湿器。加湿器通常由一层薄膜组成,该薄膜可以由与PEM相同的材料制成。通过在加湿器的一侧流动干燥的进口空气和在另一侧流动潮湿的排气空气,燃料电池产生的水可以被循环利用,以保持PEM良好的水化。




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