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燃料電池的種類有那些?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年08月12日  

燃料電池的種類

一、質子交換膜燃料電池(pEMFC)


該技術是GeneralElectric公司在20世紀50年代發明的,被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池,用來取代原來使用的內燃機。質子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質膜,或固態聚合物電解質膜,或聚合物電解質膜燃料電池。下圖顯示了質子交換膜燃料電池的基本設計。

在質子交換膜燃料電池中,電解質是一片薄的聚合物膜,例如聚[全氟磺]酸(poly[perfluorosulphonic]acid),和質子能夠滲透但不導電的NafionTM,而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極,裂解成氫離子(質子)和電子。氫離子通過電解質滲透到陰極,而電子通過外部網路流動,提供電力。以空氣形式存在的氧供應到陰極,與電子和氫離子結合形成水。在電極上的這些反應如下:

質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解質,無電解質腐蝕問題,能量轉換效率高,無污染,可室溫快速啟動。質子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、特種特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景,尤其是電動車的最佳驅動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。

質子交換膜燃料電池的工作原理如下:

陽極:2H2→4H++4e-

陰極:O2+4H++4e-→2H2O

整體:2H2+O2→2H2O+能量


燃料電池工程中心制備和小批量生產pEMFC的pt/C、pt-Ru/C電催化劑、電極、膜電極三合一(EMAS)和電池雙極板等關鍵組件;研制和生產各種規格的電池組;進行pEMFC電動車裝車試驗并研制以pEMFC為動力的電動車發動機。已掌握了一系列pEMFC的關鍵技術,申請了十四項國家發明專利。成功地研制出100W~5KW的各種規格的電池組,電池額定輸出功率密度≥0.35W/cm2。目前千瓦級pEMFC技術已經成熟具備了商業開發的條件,同時在質子交換膜燃料電池氫源開發方面取得了重大進展。

質子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下,電化學反應能正常地緩慢進行,通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。

這種電極/電解質裝置通常稱做膜電極裝配(MEA),將其夾在二個場流板中間便能構成燃料電池。這二個板上都有溝槽,將燃料引導到電極上,也能通過膜電極裝配導電。每個電池能產生約0.7伏的電,足夠供一個照明燈泡使用。驅動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓,將多個單個的電池串聯起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。

由于pEMFC使用濕潤化Nafion型高分子膜作為電解質層,因此操作溫度必須控制在100℃以下,此種低溫條件使電極中的白金觸媒對CO的抵抗力減弱,造成燃料氣體中的CO濃度需要嚴格的限制。然而Nafion膜的質子傳輸效率極佳,因而可提高反應使用的電流密度,再加上低溫與非腐蝕性的特性,使得此種電池具有重量輕、體積小、激活快與機組材料選擇性大等各項優點。

也因為前述的各特性,pEMFC目前正積極應用于車輛動力系統、現場型發電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應用,因需考慮燃料處理設備導致系統較為復雜,且須與造價較低的傳統技術競爭,故短期內尚無法商業化。但在小型攜帶電力方面,如筆記型計算機、無線電話、攝錄像機等大多采用高價值的鎳氫或鋰電池的部分,pEMFC則有機會與之競爭。

質子交換膜燃料電池擁有許多特點,因此成為汽車和家庭應用的理想能源,它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作,因此能在嚴寒條件下迅速啟動。其電力密度較高,因此其體積相對較小。此外,這種電池的工作效率很高,能獲得40-50%的最高理論電壓,而且能快速地根據用電的需求而改變其輸出。目前,能產生50kW電力的示范裝置業已在使用,能產生高達250kW的裝置也正在開發。當然,要想使該技術得到廣泛應用,仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本,因為膜材料和催化劑均十分昂貴。不過人們進行的研究正在不斷地降低成本,一旦能夠大規模生產,比價的經濟效益將會充分顯示出來。

另一個大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作,因為它們極易受到一氧化碳和其它雜質的污染。這主要是因為它們在低溫條件下工作時,必需使用高敏感的催化劑。當它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時,必須產生更易耐受的催化劑系統才能工作。


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