氫燃料電池的工作原理 具體 氫燃料電池的工作原理

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1、氫燃料電池的工作原理 具體 氫燃料電池的工作原理 　　以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，其工作原理以下： 　　氫氣經(jīng)過管道或?qū)獍宓诌_(dá)陽極； 　　在陽極催化劑的作用下，1 個(gè)氫分子解離為 2 個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出 2 個(gè)電子，陽極反應(yīng)為： 　　H2→2H++2e。 　　在電池的另一端，氧氣經(jīng)過管道或?qū)獍宓诌_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子和經(jīng)過外電路抵達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++2e→H2O 　　總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2＝H2O 　　電子在外電路形成直流電。所以，只要源源不停地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就能夠向外電路的負(fù)載

2、連續(xù)地輸出電能。 　　3 PEMFC 的特點(diǎn)及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)實(shí)狀況 　　燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、開啟快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)尤其適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。 　　PEMFC 發(fā)電機(jī)由本體及其隸屬系統(tǒng)組成。本體結(jié)構(gòu)除上述關(guān)鍵單元外，還包含單體電池層疊時(shí)為預(yù)防汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，和壓緊各單體電池所需的緊固件等。隸屬系統(tǒng)包含：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)整單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖 2 是一個(gè)經(jīng)典的PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]。 　　PEMFC 作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用 　　PEMFC 作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分

3、為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動(dòng)電源、車載電源等。適合用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實(shí)際應(yīng)用是手機(jī)電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負(fù)式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動(dòng)力電源，以滿足環(huán)境保護(hù)對(duì)車輛排放的要求。從現(xiàn)在發(fā)展情況看，PEMFC 是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力電源。 　　國際上，PEMFC 研究開發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)是加拿大 Ballard 能源系統(tǒng)企業(yè)。美國 H-Power 企業(yè)于 1996 年研制出世界上第一輛以 PEMFC 發(fā)電機(jī)為動(dòng)力源的大巴士[5]。多年來，中國對(duì)燃料電池電動(dòng)車的研發(fā)也極

4、為重視，被列入國家關(guān)鍵科技攻關(guān)計(jì)劃。上海神力企業(yè)、富原燃料電池有限企業(yè)、清華大學(xué)、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能靠近或達(dá)成國際優(yōu)秀水平。 　　PEMFC 作為固定式電源的應(yīng)用 　　PEMFC 除適合用于作為交通電源外，也很適適用于固定式電源。既可和電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰； 　　也可作為獨(dú)立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地域、或作為國防發(fā)供電系統(tǒng)電源。 　　采取多臺(tái) PEMFC 發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)還可組成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：① 可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)； 　　② 有利于熱電聯(lián)供，可使燃料總利用率高達(dá) 80%以上； 　　③ 受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)難

5、等影響比較小，尤其適宜于當(dāng)代戰(zhàn)爭條件下的主動(dòng)防護(hù)需要； 　?、?經(jīng)過天燃?xì)?、煤氣重整制氫，可利?現(xiàn) 有 天 燃 氣 、 煤氣 供 氣 系 統(tǒng) 等 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 為PEMFC 提供燃料； 　　經(jīng)過再生能源制氫則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)，使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。國際上普遍認(rèn)為，伴隨燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢(shì)。 　　氫能電源的軍事應(yīng)用前景 　　伴隨當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為關(guān)鍵的新興信息技術(shù)將滲透到戰(zhàn)場的各個(gè)領(lǐng)域，從偵察、監(jiān)視到預(yù)警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動(dòng)化、準(zhǔn)確制導(dǎo)和智能化到多種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整

6、個(gè)戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝敗的主要原因，它不但組成總體作戰(zhàn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而且成為總體作戰(zhàn)能力的“倍增器”。電源作為信息技術(shù)裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關(guān)主要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分。 　　因?yàn)?PEMFC 發(fā)電機(jī)工作溫度低，紅外輻射少，無震動(dòng)，沒有噪音，所以尤其適適用作為當(dāng)代軍用電源。1998 年 8 月，美國國防部在向國會(huì)國防委員會(huì)呈遞的匯報(bào)中指出：移動(dòng)電力是永久性防御設(shè)施最基礎(chǔ)的五大要素之一； 　　燃料電池發(fā)電技術(shù)替換常規(guī)發(fā)電裝置的快速演變，給未來發(fā)電系統(tǒng)采取氫氣作為主燃料開辟了道路； 　　因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率很高，操作維護(hù)極為簡單，燃料電池發(fā)電機(jī)使氫能源作為

7、主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。所以，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將取得愈加高效可靠的發(fā)電系統(tǒng)、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰(zhàn)。 　　PEMFC 發(fā)電機(jī)的很多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級(jí)移動(dòng)設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動(dòng)力電源、單兵和部隊(duì)便攜電源、邊遠(yuǎn)地域、海防哨因此及人防工程中全部含有極好的應(yīng)用前景。早在 1960 年代，美國航空航天局就和通用電氣企業(yè)聯(lián)合開發(fā) PEMFC發(fā)電機(jī)，并數(shù)次用于雙子星座衛(wèi)星計(jì)劃的飛行，尤其是 1968 年采取 Nafion 膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用PEMFC 發(fā)電機(jī)，其壽命在試驗(yàn)室已達(dá)57000h。以后，NASA 又和H

8、amilton 標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)合作研制 RFC系統(tǒng)，目標(biāo)是配合太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測飛行器或月球基地的動(dòng)力電源。美國空軍也和Treadwell 企業(yè)簽署協(xié)議研究用于衛(wèi)星的 RFC 系統(tǒng)。 　　在超級(jí)移動(dòng)裝備應(yīng)用方面，NASA 和EPSI 企業(yè)合作開發(fā)采取金屬氫化物儲(chǔ)氫的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 系統(tǒng)，以替換現(xiàn)有裝備中采取的可充電電池，可有效提升能量儲(chǔ)存密度和一次性充能能量和循環(huán)壽命、充能速度。 　　PEMFC 在軍事領(lǐng)域的一個(gè)重大用途是作為海軍艦艇的動(dòng)力電源。PEMFC 發(fā)電機(jī)作為潛艇不依靠于空氣的推進(jìn)動(dòng)力源和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，含有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點(diǎn)，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時(shí)，潛艇續(xù)航能力最強(qiáng)，且沒有污染，所以 PEMFC 是潛艇 AIP 系統(tǒng)的最好選擇。德國從 1980 年開始研究基于 PEMFC 發(fā)電機(jī)的潛艇，現(xiàn)在德國已能生產(chǎn) 212、214 型號(hào)的基于PEMFC 發(fā)電機(jī)的潛艇。而美國海軍和 AP 企業(yè)合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的 PEMFC 發(fā)電機(jī)，還和 Treadwell 企業(yè)合作設(shè)計(jì)并制造了用于水下探測器的 PEMFC 電源。