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常見問題

氫燃料電池的優勢與原理介紹

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/1/27     瀏覽次數:    

為什么要研究燃料電池

 

燃料電池的應用非常廣泛,包括運輸、材料處理、固定、便攜式和緊急備用電源應用。與目前許多發電廠和乘用車使用的傳統燃燒技術相比,燃料電池有幾個優點:
1.燃料電池的工作效率比內燃機高,可以將燃料中的化學能轉化為電能,效率高達60%;2.燃料電池的排放量比內燃機低;3.氫燃料電池只排放水,因此不會排放二氧化碳,也不會在運行時產生煙霧和造成健康問題的空氣污染物。
此外,燃料電池在運行過程中噪音也很小,因為它所需的活動部件并不多。

燃料電池的工作原理

 

燃料電池像電池一樣工作,但它們不會耗盡或需要充電,只要有燃料供應,它們就能發電和供熱。燃料電池由兩個電極——一個負極(或陽極)和一個正極(或陰極)——夾在電解質周圍。燃料,如氫,被送入陽極,而空氣被送入陰極。在氫燃料電池中,陽極上的催化劑將氫分子分離成質子和電子,它們通過不同的路徑到達陰極。電子通過外部電路,產生電流。質子通過電解質遷移到陰極,在那里它們與氧和電子結合,產生水和熱。


氫燃料電池部件

燃料電池系統


 

聚合物電解質膜(PEM)燃料電池是當前燃料電池汽車應用研究的熱點。PEM燃料電池由幾層不同的材料制成。PEM燃料電池的主要部件如下所述。
PEM燃料電池的核心是膜電極組件(MEA),包括膜、催化劑層和氣體擴散層(GDLs)。
硬件組件用于一個意味著合并到燃料電池包括墊片,它提供一個密封是防止泄漏的氣體,和雙相鋼板,用于組裝個人PEM燃料電池與燃料電池堆棧和提供氣體燃料和空氣的通道。
膜電極組件
膜、催化劑層(陽極和陰極)和擴散介質一起形成PEM燃料電池的膜電極組件(MEA)。
聚合物電解質膜
聚合物電解質膜或PEM(也被稱為質子交換膜)——一種經過特殊處理的材料,看起來有點像普通的廚房塑料包裝——只導電帶正電的離子,并阻擋電子。PEM是燃料電池技術的關鍵;它必須只允許必需的離子在陽極和陰極之間通過。其他通過電解質的物質會破壞化學反應。對于運輸應用,膜是非常薄的-在某些情況下小于20微米。
催化劑層
在膜的兩側加一層催化劑——陽極層在一邊,陰極層在另一邊。傳統的催化劑層包括分散在高表面積碳載體上的納米級鉑顆粒。這種負載鉑催化劑與離子導電聚合物(離子單體)混合,夾在膜和gdl之間。在陽極一側,鉑催化劑使氫分子分裂成質子和電子。在陰極側,鉑催化劑通過與陽極產生的質子反應,使氧還原,產生水。在催化劑層中混合的離聚物允許質子穿過這些層。
氣體擴散層
gdl位于催化劑層外,便于將反應物輸送到催化劑層,以及去除產物水。每個GDL通常由一張碳紙組成,碳纖維上部分涂有聚四氟乙烯(PTFE)。氣體通過GDL中的氣孔迅速擴散。這些孔隙保持開放的疏水聚四氟乙烯,這防止過多的水積累。在很多情況下,GDL的內表面涂有一層薄薄的混合了聚四氟乙烯的高表面積碳,稱為微孔層。微孔層可以幫助調節水保留(需要保持膜的導電性)和水釋放(需要保持孔隙開放,以便氫和氧能夠擴散到電極)之間的平衡。
硬件
MEA是產生動力的燃料電池的一部分,但需要硬件部件才能使MEA有效運行。
雙極板
在典型的工作條件下,每個MEA產生的電壓小于1v,但大多數應用需要更高的電壓。因此,為了提供一個可用的輸出電壓,通常將多個MEAs串聯起來,疊加在一起。堆棧中的每個單元被夾在兩個雙極板之間,以將其與相鄰的單元分開。這些板,可能是由金屬,碳,或復合材料,提供電池之間的導電,以及提供物理強度的堆棧。板的表面典型地包含一個“流場”,這是一組通道加工或沖壓到板,以允許氣體流過多邊環境協定。每個板內的額外通道可用于液體冷卻劑的循環。
墊圈
每一個多邊環境協定在一個燃料電池堆棧是夾在兩個雙極板之間,但墊圈必須添加在多邊環境協定的邊緣,以使氣密密封。這些墊圈通常是由橡膠聚合物制成的。

 

 

氫燃料電池系統

氫燃料電池系統

燃料電池系統的設計是復雜的,并且根據燃料電池的類型和應用會有很大的不同。然而,在許多燃料電池系統中發現了幾個基本成分:
燃料電池堆
燃料電池堆是燃料電池動力系統的核心。它通過燃料電池中的電化學反應產生直流電(DC)。單個燃料電池產生的電流小于1v,這對于大多數應用來說是不夠的。因此,單個的燃料電池通常被串聯成一個燃料電池堆。一個典型的燃料電池堆可能由數百個燃料電池組成。燃料電池產生的能量取決于幾個因素,如燃料電池類型、電池尺寸、工作溫度和供應給電池的氣體壓力。了解更多關于燃料電池的部分。
燃料處理器
燃料處理器將燃料轉換成燃料電池可用的形式。根據燃料和燃料電池類型的不同,燃料處理器可以是一個簡單的去除雜質的吸附劑床,或多個反應堆和吸附劑的組合。
如果系統是由富含氫的傳統燃料(如甲醇、汽油、柴油或氣化煤)提供動力,則通常使用重整器將碳氫化合物轉化為氫和碳化合物的氣體混合物,稱為“重整酸”。在許多情況下,重整后的產物會被送到一組反應堆中,將一氧化碳轉化為二氧化碳,并去除任何殘留的一氧化碳,在它被送到燃料電池堆之前,還要用吸附床去除其他雜質,如硫化合物。這個過程防止氣體中的雜質與燃料電池催化劑結合。這種結合過程也被稱為“中毒”,因為它降低了燃料電池的效率和預期壽命。
一些燃料電池,如熔融碳酸鹽和固體氧化物燃料電池,在足夠高的溫度下工作,使得燃料可以在燃料電池中自行轉化。這個過程叫做內部改革。使用內部重整的燃料電池在未重整燃料到達燃料電池之前,仍然需要捕集器來清除雜質。內部和外部重整都會釋放二氧化碳,但由于燃料電池的高效率,它比內燃機(如汽油驅動的汽車)排放的二氧化碳要少。
功率調節器
功率調節包括控制電流(安培數)、電壓、頻率等電流特性,以滿足應用的需要。燃料電池以直流電(DC)的形式發電。在直流電路上,電子只向一個方向流動。你家里和工作場所的電都是交流電(AC),它在交替循環中雙向流動。如果燃料電池被用來為使用交流電的設備供電,則必須將直流電轉換為交流電。
交流電和直流電都必須進行調節。電流逆變器和調節器適應來自燃料電池的電流,以適應應用的電氣需求,無論是簡單的電機還是復雜的公用事業電網。轉換和調理只稍微降低系統效率,約2%-6%。
燃料電池空壓機
燃料電池性能隨著反應物氣體壓力的增加而提高;因此,許多燃料電池系統都包括一個空氣壓縮機,它可以將進口空氣壓力提高到環境大氣壓力的2-4倍。對于運輸應用,空壓機的效率應至少達到75%。在某些情況下,還包括一個膨脹器,以從高壓廢氣中恢復電力。擴展機效率應至少達到80%。
燃料電池加濕器
PEM燃料電池的核心聚合物電解質膜在干燥時不能很好地工作,因此許多燃料電池系統都為進氣口安裝了加濕器。加濕器通常由一層薄膜組成,該薄膜可以由與PEM相同的材料制成。通過在加濕器的一側流動干燥的進口空氣和在另一側流動潮濕的排氣空氣,燃料電池產生的水可以被循環利用,以保持PEM良好的水化。




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