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燃料電池的研究現(xiàn)狀及展望

作者: 時(shí)間:2009-07-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  摘 要:介紹了質(zhì)子交換膜(PEMFC)的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況,重點(diǎn)闡述了PEMFC的,在此基礎(chǔ)上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢(shì)。
  關(guān)鍵詞:質(zhì)子交換膜;雙極板;電極;催化劑   
  1 質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)及原理
  
  按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成,圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
  
  PEMFC的基本工作過程如下:
 ?。?)氫氣通過雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽極,氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子;
 ?。?)氫離子以水合質(zhì)子H+(xH2O)的形式通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極,電子在陽極側(cè)積累;
 ?。?)氧氣通過雙極板到達(dá)陰極后,氧分子在催化劑的作用下變成氧離子,陰、陽極間形成一個(gè)電勢(shì)差;
 ?。?)陽極和陰極通過外電路連接起來,在陽極積聚的電子就會(huì)通過外電路到達(dá)陰極,形成電流,對(duì)負(fù)載做功。同時(shí),在陰極側(cè)反應(yīng)生成水;
 ?。?)只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體,PEMFC就可以連續(xù)工作,對(duì)外提供電能。
  
  2 質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
  
 ?。?)高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,不存在燃燒過程,不受卡諾循環(huán)限制,其理論熱效率可達(dá)85-90%,目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動(dòng)力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi),而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
 ?。?)模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn),可根據(jù)不同動(dòng)力需求組合安裝,采用“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法簡化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計(jì)制造過程。
 ?。?)高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)簡單,易于維護(hù)。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障,可自動(dòng)采取適當(dāng)屏蔽措施,只會(huì)使系統(tǒng)輸出功率略有下降,而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的癱瘓。
 ?。?)燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)既可以純氫為燃料,也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物,也可以是對(duì)汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲(chǔ)方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
 ?。?)環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時(shí),PEMFC的唯一產(chǎn)物是水,可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí),相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言,排放也極大降低。此外,PEMFC噪聲水平也很低,各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。


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