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氫能與質(zhì)子交換膜燃料電池

上傳人:仙*** 文檔編號:28225585 上傳時間:2021-08-24 格式:DOC 頁數(shù):4 大?。?2.51KB
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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 個氫分子解離為 2 個氫質(zhì)子,并釋放出 2 個,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 是一個典型的PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]。 (1) PEMFC 作為移動式電源的應(yīng)用     PEMFC 作為移動式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類:一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機(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)最成熟的電動車動力電源。     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)為動力源的大巴士[5]。近年來,我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視,被列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃。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,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告中指出:移動是永久性防御設(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設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源、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)域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。PEMFC 發(fā)電機(jī)作為潛艇不依賴于空氣的推進(jìn)動力(AIP)源與斯特林發(fā)動機(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,潛艇續(xù)航能力最強(qiáng)(大約為斯特林發(fā)動機(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,由于柴油發(fā)電機(jī)組存在煙氣排放,隱蔽性差、震動大、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,并有力地推動氫能技術(shù)的發(fā)展。

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