鉅大LARGE | 點擊量:2071次 | 2018年07月29日
氫燃料電池是如何運用的
氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素,制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng),把氫和氧分別供給陽極和陰極,氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過外部的負載到達陰極。
無污染
燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學(xué)反應(yīng),而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)方式--最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述,燃料電池只會產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的(光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等),整個循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過程。
無噪聲
燃料電池運行安靜,噪聲大約只有55dB,相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝,或是在室外對噪聲有限制的地方。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
高效率
燃料電池的發(fā)電效率可以達到50%以上,這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,不需要經(jīng)過熱能和機械能(發(fā)電機)的中間變換。
干電池、蓄電池是一種儲能裝置,是把電能貯存起來,需要時再釋放出來;而氫燃料電池嚴格地說是一種發(fā)電裝置,像發(fā)電廠一樣,是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。另外,氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成,這是氫燃料電池的一項關(guān)鍵技術(shù),它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面,還要對電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。
航天領(lǐng)域
20世紀60年代,氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就
工作示意圖
工作示意圖[1]
安裝了這種體積小、容量大的裝置。進入70年代以后,隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術(shù),很快,氫燃料電池就被運用于發(fā)電和汽車。
大型電站,無論是水電、火電或核電,都是把發(fā)出的電送往電網(wǎng),由電網(wǎng)輸送給用戶。但由于各用電戶的負荷不同,電網(wǎng)有時呈現(xiàn)為高峰,有時則呈現(xiàn)為低谷,這就會導(dǎo)致停電或電壓不穩(wěn)。另外,傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設(shè)備上,燃燒時還會消耗大量的能源和排放大量的有害物質(zhì)。而使用氫燃料電池發(fā)電,是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,不需要進行燃燒,能量轉(zhuǎn)換率可達60%~80%,而且污染少、噪音小,裝置可大可小,非常靈活。
氫的化學(xué)特性活躍,它可同許多金屬或合金化合。某些金屬或合金吸收氫之后,形成一種金屬氫化物,其中有些金屬氫化物的氫含量很高,甚至高于液氫的密度,而且該金屬氫化物在一定溫度條件下會分解,并把所吸收的氫釋放出來,這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。
汽車應(yīng)用
20輛中國自主研制的氫燃料電池轎車在同濟大學(xué)新能源汽車工程中心舉行赴京發(fā)車儀式,它們將在奧運
福田氫燃料電池客車
福田氫燃料電池客車[2]
會中投入運營。這20輛氫燃料電池轎車是基于大眾帕薩特領(lǐng)馭車型,通過改制和集成最新一代燃料電池轎車動力系統(tǒng)平臺而成功研發(fā)出來的。它們以氫氣為能源,經(jīng)氫氧化學(xué)反應(yīng)生成水,真正實現(xiàn)零污染。氫燃料電池轎車加一次氫可跑300多公里,時速達每小時140~150公里。氫燃料電池轎車比同類型內(nèi)燃機車重200多公斤,貴5倍以上。
氫燃料電池車的工作原理是:將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極),經(jīng)過催化劑(鉑)的作用,氫原子中的一個電子被分離出來,失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過質(zhì)子交換膜,到達燃料電池陰極板(正極),而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的,這個電子,只能經(jīng)外部電路,到達燃料電池陰極板,從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達陰極板后,與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧,可以從空氣中獲得,因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫,給陰極板供應(yīng)空氣,并及時把水(蒸氣)帶走,就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動機供電,再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動,就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比,燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達60~80%,為內(nèi)燃機的2~3倍。燃料電池的燃料是氫和氧,生成物是清潔的水,它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳,也沒有硫和微粒排出。因此,氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車,氫燃料是完美的汽車能源!
氫燃料電池車的優(yōu)勢毋庸置疑,劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步,曾經(jīng)困擾氫燃料電池發(fā)展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術(shù)等問題已經(jīng)逐步攻克并不斷完善,然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發(fā)展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍,這個價格是市場所難以承受的。
據(jù)悉,這批氫燃料電池車,最大輸出功率高達60千瓦,燃料消耗僅為每百公里1.2公斤氫氣,大約相當(dāng)于4升93號汽油。
英國政府將大力發(fā)展氫燃料電池汽車,計劃在2030年之前使英國氫燃料電池車保有量達到160萬輛,并在2050年之前使其市場占有率達到30%-50%。政府將從2015年起實現(xiàn)氫燃料電池汽車本土化生產(chǎn),并自行研發(fā)相關(guān)技術(shù),另外還將建設(shè)氫燃料補給站。[3]
目前豐田汽車公司已經(jīng)將燃料電池的成本大幅降低,整車價格控制在6.9萬美元(40萬人民幣),可提供100KW動力輸出,續(xù)航能力達到700公里.并將在北美和日本本土上市,上市時間為2015年上半年.[4]
飛機應(yīng)用
工作原理
燃料電池(FuelCell),是一種發(fā)電裝置,但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄,也不像充電電池一樣,用完須繼續(xù)充電,燃料電池正如其名,是繼續(xù)添加燃料以維持其電力,所需的燃料是“氫”,其之所以被歸類為新能源,原因就在此。燃料電池的運作原理(如圖1),也就是電池含有陰陽兩個電極,分別充滿電解液,而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成。氫氣由燃料電池的陽極進入,氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經(jīng)由催化劑的作用,使得陽極的氫分子分解成兩個質(zhì)子(proton)與兩個電子(electron),其中質(zhì)子被氧‘吸引’到薄膜的另一邊,電子則經(jīng)由外電路形成電流后,到達陰極。在陰極催化劑之作用下,質(zhì)子、氧及電子,發(fā)生反應(yīng)形成水分子,因此水可說是燃料電池唯一的排放物。燃料電池所使用的“氫”燃料可以來自于水的電解所產(chǎn)生的氫氣及任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、沼氣等等。由于燃料電池是經(jīng)由利用氫及氧的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電流及水,不但完全無污染,也避免了傳統(tǒng)電池充電耗時的問題,是目前最具發(fā)展前景的新能源方式,如能普及并應(yīng)用在車輛及其他高污染之發(fā)電工具上,將能顯著減輕空氣污染及溫室效應(yīng)。
氫燃料電池飛機
氫燃料電池飛機
時速百公里
波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。波音公司稱這在世界特種史上尚屬首次,預(yù)示特種工業(yè)未來更加環(huán)保。但波音承認,這一技術(shù)不太可能為大型客機提供主要動力。
波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮(zhèn)進行試飛氫燃料電池飛機,成功試飛具有歷史意義。小型飛機起飛及爬升過程使用傳統(tǒng)電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飛機切斷傳統(tǒng)電池電源,只靠氫燃料電池提供動力。飛機在1000米高空飛行了約20分鐘,時速約100公里。這一技術(shù)對波音公司意義重大,也讓特種工業(yè)的未來“充滿綠色希望”。
小型飛機由奧地利“鉆石”(Diamond)雙座螺旋槳動力滑翔機改裝而成,飛機內(nèi)安裝了質(zhì)子交換膜燃料電池和鋰離子電池。小型飛機翼展16.3米,機身長6.5米,重約800公斤,可容納兩人。試飛過程中,機上只有飛行員一人。
在機艙內(nèi),傳統(tǒng)電池安放于唯一的乘客座位上,飛行員背后有一個類似潛水員使用的氧氣罐。波音公司說,這架飛機連續(xù)飛行時間最長45分鐘,“不會產(chǎn)生任何噪音”。氫燃料電池通過氫轉(zhuǎn)化為水的過程產(chǎn)生電流,不產(chǎn)生溫室氣體。除熱量外,水蒸氣是氫燃料電池產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品。
波音的氫燃料電池飛機帶來技術(shù)突破,但“波音(歐洲)研究與技術(shù)”部稱,。這一技術(shù)可能為大型飛機提供輔助動力,但這需要技術(shù)突破。
技術(shù)局限性
在燃料價格上漲、環(huán)境污染與全球變暖的情況下,對更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長。
波音的氫燃料電池飛機帶來技術(shù)突破,但波音(歐洲)研究與技術(shù)部負責(zé)人埃斯卡蒂說,氫燃料電池可以為小型飛機提供飛行動力,但不能為大型客機提供主要動力。
波音公司負責(zé)試飛工作的工程師涅韋斯·拉佩納說,這一技術(shù)可能為大型飛機提供輔助動力,但這需要技術(shù)突破。波音公司說,將繼續(xù)開發(fā)氫燃料電池的潛力,以改善環(huán)境。
國際能源機構(gòu)說,推廣使用氫氣和氫燃料電池,可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產(chǎn)生溫室氣體的能源消耗。