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燃料電池是新能源的希望嗎(燃料電池的原理及組成結(jié)構(gòu))

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1073次  |  2019年08月26日  

什么是燃料電池

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置,又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能,不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制,因此效率高;另外,燃料電池用燃料和氧氣作為同時(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)部件,故沒有噪原料,排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見,從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看,燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。


燃料電池的原理

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置,它是按電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質(zhì)遷移到陽極上,與燃料氣反應(yīng),構(gòu)成回路,產(chǎn)生電流。同時(shí),由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻,燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí),陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu),以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。


燃料電池的組成結(jié)構(gòu)

燃料電池的主要構(gòu)成組件為:電極(Electrode)、電解質(zhì)隔膜(ElectrolyteMembrane)與集電器(CurrentCollector)等。


1、電極

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所,其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。


電極主要可分為兩部分,其一為陽極(Anode),另一為陰極(Cathode),厚度一般為200-500mm;其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處,在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu),所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體(例如氧氣、氫氣等),而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高,為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與降低極化作用,故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極,以增加參與反應(yīng)的電極表面積,而此也是燃料電池當(dāng)初所以能從理論研究階段步入實(shí)用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。


目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成,例如固態(tài)氧化物燃料電池(簡稱SOFC)的Y2O3-stabilized-ZrO2(簡稱YSZ)及熔融碳酸鹽燃料電池(簡稱MCFC)的氧化鎳電極等,而低溫燃料電池則主要是由氣體擴(kuò)散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成,例如磷酸燃料電池(簡稱pAFC)與質(zhì)子交換膜燃料電池(簡稱pEMFC)的白金電極等。


2、電解質(zhì)隔膜

電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑,并傳導(dǎo)離子,故電解質(zhì)隔膜越薄越好,但亦需顧及強(qiáng)度,就現(xiàn)階段的技術(shù)而言,其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米;至于材質(zhì),目前主要朝兩個(gè)發(fā)展方向,其一是先以石棉(Asbestos)膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰(LiAlO3)膜等絕緣材料制成多孔隔膜,再浸入熔融鋰-鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中,使其附著在隔膜孔內(nèi),另一則是采用全氟磺酸樹脂(例如pEMFC)及YSZ(例如SOFC)。


3、集電器

集電器又稱作雙極板(Bipolarplate),具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用,集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。


燃料電池的優(yōu)點(diǎn)

(1)燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能,沒有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50%。還可回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等,綜合考慮效率能達(dá)到80%。


(2)燃料電池發(fā)電過程,機(jī)械部件很少,噪聲低;化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體,不會(huì)污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天,燃料電池的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。


(3)燃料電池中所使用的燃料,既可是天然氣、煤氣和液化燃料,也可以是甲醇、沼氣乃至木柴。可根據(jù)不同地區(qū)的具體情況,選用不同的燃料用于燃料電池的發(fā)電系統(tǒng),這可廣開燃料來源途徑,緩解能源緊張。


(4)燃料電池從中斷運(yùn)轉(zhuǎn)到再啟動(dòng),輸電能力回升速度快,并可在短時(shí)間內(nèi)增加和減少電力輸出。因此將這種發(fā)電系統(tǒng)與其他輸電網(wǎng)連接使用最為有利,可隨時(shí)補(bǔ)充電網(wǎng)在用電高峰時(shí)所需的部分電能。


(5)燃料電池本身為一個(gè)“組合體”,所用部件可事先在工廠生產(chǎn),然后組裝;它的體積小,拆裝都很方便,這可節(jié)省建電站的時(shí)間。



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