氫能與質(zhì)子交換膜燃料電池

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1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 氫能與質(zhì)子交換膜燃料電池 文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 1 序言     為解決能源短缺、污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時(shí)代》周刊評為 21 世紀(jì)有重要影響的十大技術(shù)之一。 2 氫燃料電池工作原理     燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由3 部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)，如圖 1[3]。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通

2、常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)。     以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下： (1) 氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極； (2) 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)，陽極反應(yīng)為：      H2→2H++2e。 (3) 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2

3、H++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。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。 3 PEMFC 的特點(diǎn)及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀     燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)特別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)由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核

4、心單元外，還包括單體電池層疊時(shí)為防止汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖 2 是一個(gè)典型的PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]。 (1) 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。

5、二是用作自行車、摩托車、汽車等工具的動(dòng)力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(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)公司。美國 H-Power 公司于 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]。近年來，我國對燃料電池電動(dòng)車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、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，其性能接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。 (2) PEM

6、FC 作為固定式電源的應(yīng)用     PEMFC 除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(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)地區(qū)、或作為國防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。     采用多臺 PEMFC 發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)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（由于 PEMFC 電站無噪聲，可就近安裝，PEMFC 發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá) 80%以上；③ 受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭

7、條件下的主動(dòng)防護(hù)需要；④ 通過天燃?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；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本降低。國際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢。 (3) 氫能電源的軍事應(yīng)用前景     隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為核心的新興信息技術(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、指揮到控制，從武器裝

8、備的自動(dòng)化、精確制導(dǎo)和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素，它不僅構(gòu)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)重要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分。     由于 PEMFC 發(fā)電機(jī)工作溫度低，紅外輻射少，無震動(dòng)，沒有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代軍用電源。1998 年 8 月，美國國防部在向國會國防委員會呈遞的報(bào)告中指出：移動(dòng)是永久性防御設(shè)施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術(shù)替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來發(fā)電系統(tǒng)采用氫

9、氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過60%）很高，操作維護(hù)極為簡單，燃料電池發(fā)電機(jī)使氫能源作為主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。因此，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(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)的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級移動(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（分）隊(duì)便攜電源、邊遠(yuǎn)地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應(yīng)用前景。早在 1960 年代，美國航空航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯(lián)合開發(fā) PEMFC發(fā)電機(jī)，并多次用

10、于雙子星座衛(wèi)星計(jì)劃的飛行，特別是 1968 年采用 Nafion 膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用PEMFC 發(fā)電機(jī)，其壽命在實(shí)驗(yàn)室已達(dá)57000h。后來，NASA 又與Hamilton 標(biāo)準(zhǔn)公司合作研制 RFC（再生燃料電池）系統(tǒng)，目的是配合太陽能發(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（太陽能電解水裝置功率 35kW，PEMFC發(fā)電機(jī)功率 25kW）。美國空軍也與Treadwell 公司簽訂協(xié)議研究用于衛(wèi)星的 RFC 系統(tǒng)（PEMFC 功率12kW，電壓 28V）。     在超級移動(dòng)裝備（EMU）應(yīng)用方面，NASA 與EPSI 公司合作開發(fā)采用金屬

11、氫化物儲氫的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 系統(tǒng)，以替代現(xiàn)有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環(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)作為潛艇不依賴于空氣的推進(jìn)動(dòng)力（AIP）源與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、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)（大約為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的 2倍），且沒有污染，因此 PEMFC 是潛艇 AIP 系統(tǒng)的最佳選擇。德國從 1980 年（也是世界上最早）開始研究基于

12、PEMFC 發(fā)電機(jī)的潛艇，目前德國已能生產(chǎn) 212、214 型號的基于PEMFC 發(fā)電機(jī)的潛艇。而美國海軍與 AP 公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的 PEMFC 發(fā)電機(jī)，還與 Treadwell 公司合作設(shè)計(jì)并制造了用于水下探測器的 PEMFC 電源。     PEMFC 的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在重要的民用設(shè)施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及國防（人防）領(lǐng)域都具有極好的應(yīng)用前景。目前這些地方的供電系統(tǒng)均采用以外電為主、柴油發(fā)電機(jī)組為輔的供電方式。當(dāng)外電毀壞啟用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，由于柴油發(fā)電機(jī)組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動(dòng)大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點(diǎn)，更不適合在未來高科技戰(zhàn)爭中使用。因此，研究基于 PEMFC 的發(fā)電系統(tǒng)可有效利用氫能實(shí)現(xiàn)環(huán)保，對民用供電和國防建設(shè)都有極為重大的意義。 4 結(jié)束語     氫能的利用，特別是 PEMFC 作為新一代發(fā)電技術(shù)，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關(guān)注，極具開發(fā)和利用價(jià)值。隨著 PEMFC 的技術(shù)不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應(yīng)用，并有力地推動(dòng)氫能技術(shù)的發(fā)展。