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燃料电池种类、原理及研究进展

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一. 燃料电池简介

1.定义

燃料电池(Fuel Cells)是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置,能量转化率高。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。由于在能量转换过程中,几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物,燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有这些优异性,燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。随着研究不断地突破,燃料电池已经在发电站、微型电源等方面开始应用。

2.基本结构

燃料电池的基本结构主要是由四部分组成,分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。通常阳极为氢电极,阴极为氧电极。阳极和阴极上都需要含有一定量的电催化剂,用来加速电极上发生的电化学反应,两电极之间是电解质。

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图1.燃料电池基本结构示意图

3.分类

目前燃料电池的种类很多,其分类方法也有很多种。按不同方法大致分类如下:

(1)按运行机理来分类:可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池;

(2)按电解质的种类来分类:有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质;

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图2.燃料电池分类详细介绍

(3)按燃料的类型来分类:有直接式燃料电池和间接式燃料电池;

(4)按燃料电池工作温度分:有低温型(低于200℃);中温型(200-750℃);高温型(高于750℃)。

4.原理

燃料电池的工作原理相对简单,主要包括燃料氧化和氧气还原两个电极反应及离子传输过程。早期的燃料电池结构相对简单,只需要传输离子的电解质和两个固态电极。当以氢气为燃料,氧气为氧化剂时,燃料电池的阴阳极反应和总反应分别为:

阳极:H2 → 2H++2e-

阴极:1/2 O2+2H++2e-→H2O

总反应:H2+1/2O2 →H2O

其中,H2通过扩散达到阳极,在催化剂作用下被氧化成和e-,此后,H+通过电解液到达阴极,而电子则通过外电路带动负載做功后也到达阴极,从而与O2发生还原反应(ORR)。

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图3.燃料电池原理示意图

二. 燃料电池应用

时至今日,己有多种类型的燃料电池根据不同的应用需求被研发出来。按导电离子类别可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池、烙融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)。酸性燃料电池还可细分为PEMFC、直接醇类燃料电池和磷酸燃料电池。各类燃料电池皆有其工作特性,工作温度低至-40°C、高至1000°。可根据不同的需求选择燃料电池类型。其中PEMFC是最近几十年里受关注最多的燃料电池。PEMFC不仅具备燃料电池的普遍特征,还有可低温下快速启动和工作、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等突出优点,被认为是将来替代内燃机作为汽车动力电源最理想方案。

由于燃料电池模块化、功率范围广和燃料多样化等特点,能被应用于多种场合:小至代步车电源、移动充电装置,大至兆瓦级发电站。实际上,燃料电池的商业化进行得如火如茶。资料显示,从2008年至2011年,世界范围内燃料电池作为通讯网络设备、物流和机场地勤的备用电源市场份额増长了214%。预计至2020年,燃料电池的市场总值将达到192化美元。

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图4.燃料电池的应用

具体应用作简单介绍如下:

(1)便携式电源

便携式电源市场销售额的逐年増长吸引了许多电源技术,其产品包括:笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备,为方便个人携带,便携式移动电源的基本要求通常要求电源具有高比能量、质轻小巧等特点。而燃料电池的能量密度通常是可充电电池的5到10倍,使其具有较大的竞争力.此外,燃料电池不需要额外充电的特点也使它能适应更长久的野外生活。目前,己有直接甲醇燃料电池(DMFC)和PEMFC被应用为军用单兵电源和移动充电装置上。成本、稳定性和寿命将是燃料电池应用于便巧式移动电源的所需要解决的技术问题。

(2)固定电源

固定电源包括紧急备用电源、不间断电療、偏远地区独立电站等。目前,燃料电池每年占据全球约70%的兆瓦级固定电源市场,相比于传统的铅酸电池,燃料电池具有更长的运行时间(大约为铅酸电池的5倍)、更髙的比能皇密度、更小的体积和更好的环境适应性。对于智能电网难以到达的偏远地区和紧急事故发生地,独立电站被认为是最经济且可靠的供电方式。在我国多次的地展灾害中,燃料电池被用作独立电站,为救灾工作发挥了重要作用。需要注意的是,固定电站通常需要较长的寿命(大于80000小时),这是燃料电池技术应用于固定电站的最大技术挑战。

(3)交通动力电源

交通动力电源一直是清洁能源技术研发的主要诱导因素,因为全球17%的温室气体(CO2)都是由基于化石燃料的交通动力产生,另外还伴随着其他的大气污染问题,如雾霾等。H2为燃料的PEMFC被认为是内燃机的最佳替代动力,主要原因是:(a)尾气只有水,无任何污染排放;(b)燃料电池的工作效率极高(53%-59%),几乎是传统内燃机的两倍;(c)低温快速启动、运行噪音低且运行稳定,世界诸多国家都在推进燃料电池交通动力方案,日本是其中最激进的国家之一。日本计划在2025年之前,建设超过1000个加氨站和运行200万辆燃料电池汽车。2015年,日本丰田汽车公司开始售卖世界上第一辆PEMFC为主要动力电源的汽车Mirai,标志着燃料电池技术应用于汽车动力的新纪元。

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图5. 丰田燃料电池汽车Mirai照片

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