燃料电池背景知识
燃料电池的介绍
它的工作方式与常规的化学电源不同,而更类似于汽油、柴油发电机。燃料和氧化剂不是储存在电池内,而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时,需要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂,排出反应产物,同时也要排除一定的废热,以维护电池工作温度的恒定。
燃料电池的种类
按照反应温度可以将燃料电池分为三类:
1. 低温燃料电池(60-120oC)
1). 碱性燃料电池AFC:电解体为氢氧化钾溶液,燃料和氧化剂为纯氢,系统的电效率为60%~90%;
2). 质子交换膜PEMFC或固态聚合物燃料电池SPFC:电解体为质子交换膜,燃料为氢、甲醇、天然气,氧化剂为大气中的氧气。系统的电效率为43%~58%。
2. 中温燃料电池(160-220oC)
磷酸燃料电池PAFC:电解体为磷酸.燃料为天然气、氢,氧化剂为大气中的氢气,系统的电效率为37%-42%。
3. 高温燃料电池(600-1000 oC)
1). 熔融碳酸燃料电池MCFC:电解体为锂和碳酸钾,燃料为天然气、煤气、沼气,氧化剂为大气中的氧气,系统的电效率>50%。
2). 固态氧燃料电池SOFC:电解体为固体陶瓷体,燃料为天然气、煤气、沼气。氧化剂为大气中的氧气,系统的电效率为50%-65%。
燃料电池原理
燃料电池的工作原理大为类似,所以这里主要介绍质子交换膜燃料电池(简称PEMFC)的工作原理,其他燃料电池可以依此类推。
每个PEMFC单体由阴阳极、催化剂、质子交换膜组成。
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如上图所示,氢气在阳极附近,与催化剂发生氧化反应生成氢离子和电子:
H2 → 2H+ + 2e-
H+进入质子交换膜,通过与质子交换膜到达电池阴极。产生的电子通过阳极和外电路进入阴极。与此同时,空气中的氧气在阴极附近得到电子,在催化剂的作用下,参与还原反应:
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
阳极氢在较低电位下氧化,阴极氧在较高电位下还原,两极间产生电位差,将外电路连接就会形成电流,向外电路输出直流电。 每个燃料电池组(电堆)由上述上百个相同单体电池堆叠而成。根据实际需要组合相应数量的电堆应用在不同的场合。
PEMFC燃料电池的优点
1. 高效节能:直接将燃料的化学能转化为电能,实际能量转化效率达45% ~ 60%。相比之下,火力发电需经历化学能-热能-机械能-电能,由于能量在每次的转换过程中都存在损失,其能量转化效率不及燃料电池,大约在30%~ 40%;
2. 工作电流大(1~4 A/cm2,0.6V),比功率高(0.1~ 0.2kw/kg),比能量大;
3. 工作条件适应能力较强,在< 100°C下都能正常运行;
4. 冷启动时间短,可在数秒内实现冷起动;
5. 环境友好,实现零排放(无SO2,NO2,产物仅为H2O),无噪音;
6. 燃料来源广,既可使用纯氢,又可使用转化燃料;
7. 设计简单、制造方便;体积小、重量轻,便于携带。