质子交换膜燃料电池发展前景探讨.doc

质子交换膜燃料电池发展前景探讨.doc质子交换膜燃料电池发展前景探讨
摘要:燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。PEMFC作为新一代发电技术,以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注,极具开发和利用价值。随着PEMFC的技术不断提高和成本逐步降低,燃料电池在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理,对比了各种燃料电池基本属性,阐述了燃料电池当前发展的状态,探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的需要,进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景,其作为能源利用一次变革,必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。
关键词:质子交换膜燃料电池,PEMFC,分散电站

0 引言

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。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”,被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术,也正在美、日等发达国家崛起。以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求,具有非常好的前景。

1 质子交换膜燃料电池的结构

质子交换膜燃料电池(proton exchange membranefuel cell,英文简称PEMFC)是一种燃料电池,在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。如图1。

2 质子交换膜燃料电池工作原理

燃料电池本质是水电解的“逆”装置,主要由三部分组成,即阳极、阴极、电解质,如图2。其阳极为氢电极,阴极为氧电极。通常,阳极和阴极上都含有一定量的催化剂,用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。
其工作原理如下:
1)氢气通过管道或导气板到达阳极。
2)在阳极催化剂的作用下,1个氢分子解离为2个氢质子,并释放出2个电子,阳极反应为:H2→2H++2e。
3)在电池的另一端,氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂的作用下,氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水,阴极反应为:1/2 Q2+2H++2e
→H2O
总的化学反应为:H2+1/2O2=H2O
电子在外电路形成直流电。因此,只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气,就可以向外电路的负载连续地输出电能。

3 燃料电池的优点

1)高效转化――它不通过热机过程,不受卡诺循环的限制,通过氢氧化合作用,直接将化学能转化为电能,其能量转化效率在40~60%;如果实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上;
2)启动迅速――低温快速启动,化学反应迅速,适应负载变化;
3)工作安静――燃料电池电池组无机械运动部件,运动部件很少,工作时安静,噪声很低;
4)可靠性高――碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠,可作为各种应急电源和不间断电源使用:
5)环境友好――低热辐射和低排放,运行温度低于100℃,以纯氢为燃料时,燃料电池的化学反应物仅为水;以富氢气体为燃料时,其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上,这对缓解地球的温室效应是十分重要的;
6)功率可调――适应不同功率要求,燃料电池发电装置由多个单电池可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组,根据需要的功率大小,来选择组装的层数。

4 燃料电池的种类

燃料电池种类较多,依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。它们的结构成分及属性如表1。

5 燃料电池的应用前景

燃料电池既适宜用于集中发电,建造大、中型电站和区域性分散电站,也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源,同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。燃料电池产业的技术发展趋势,主要是在三个级别上针对不同的市场需求而齐头发展,100W~10KW电池面向民用,是移动基站、分立电源、潜艇、电动自行车、摩托车、游艇及场地车等的较佳动力源;10KW~100KW电池是电动汽车的首选动力源,是整个燃料电池产业发展的方向;100KW以上电池是特殊条件下电站动力源,如军用、边远地区等用途。