质子交换膜燃料电池性能影响的分析,燃料电池

2019-08-28 作者:配件信息   |   浏览(189)

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摘要:质子交换膜燃料电池 由于结构及工作原理的特点,在发生电化学反应过程中不产生任何污染气体,被世界认为最环保能源。本文通过对燃料电池内部结构具体分析,详细的测试了不同紧固作用的改变对PEMFC 工作性能的影响。

摘要:质子交换膜燃料电池 由于结构及工作原理的特点,在发生电化学反应过程中不产生任何污染气体,被世界认为最环保能源。本文通过对燃料电池内部结构具体研究分析,详细的测试了不同紧固作用的改变对PEMFC 工作性能的影响。研究结果表明随着夹紧力的增大, 孔隙率会逐渐减小, 并且会影响催化层和扩散层的水含量, 直接影响电池性能。

引言

四、磷酸铁锂电池

质子交换膜燃料电池主要应用氢气作为原料,将氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置。它的发电原理与普通的化学电池发电原理基本相同:都是利用正负极板上的电子的移动完成燃料的氧化还原反应。氧化过程发生在正极也就是阳极,还原过程发生在负极也就是阴极。相对于内燃机而言质子交换膜燃料电池,它的工作特点是直接将化学能转化为电能,因此效率更高。又因为它是以氢气为燃料,最后作用的产生物是水,没有生成任何有害气体释放到空气中,是我们所需要的环保新能源。并且它的输出功率更高,无需充电。正是因为它具有这么突出的优点,所以燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术,被世界认为是最有发展前途的新能源。

0 前言

燃料电池最早可追溯到1839年英国WilliamGrove进行的水逆电解反应时所发明的技术,至于其真正的实用化,则直到20世纪60年代才实际应用在航天及太空上。到20世纪80年代,在环保、节能等全球议题带动下,美国、日本、加拿大、韩国及西欧各国等数百家公司及研究机构积极投入,燃料电池开始进入民用市场,到20世纪90年代后期燃料电池技术新专利不断产生。近年,在低碳经济的全球背景下,燃料电池研发和商业化进程有加快趋势。

磷酸铁锂电池也是一种锂电池,其比能量不到钴酸锂电池的一半,但是其安全性高,循环次数能达到2000次,放电稳定,价格便宜,成为车用动力新的选择。

一、燃料电池的原理

质子交换膜燃料电池主要应用氢气作为原料,将氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置。它的发电原理与普通的化学电池发电原理基本相同:都是利用正负极板上的电子的移动完成燃料的氧化还原反应。氧化过程发生在正极也就是阳极,还原过程发生在负极也就是阴极。相对于内燃机而言质子交换膜燃料电池,它的工作特点是直接将化学能转化为电能,因此效率更高。又因为它是以氢气为燃料,最后作用的产生物是水,没有生成任何有害气体释放到空气中,是我们所需要的环保新能源。并且它的输出功率更高,无需充电。正是因为它具有这么突出的优点,所以燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术,被世界认为是最有发展前途的新能源。

1 定义

比亚迪提出的“铁电池”,业界人士认为其为磷酸铁锂电池的可能性较大。

质子交换膜燃料电池主要由阳极流场板,膜电极和阴极流场板组成,其中膜电极又包含扩散层、催化层和质子交换膜。

1 燃料电池的原理

燃料电池是一种在等温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效率地转换成化学能的电源产品;由于所使用的主要是氢气、醇类等燃料,且转动的组件极少,具有对环境负荷小、低噪音的特点,故其不仅适合用于中央电厂和区域分散电厂发电,亦可作为交通运输工具(例如电动汽车、电动机车及电动自行车等)的动力电源,近年来,在国际领先企业的积极投入研发推动下,具有成为便携式电子产品下一代动力电池的潜力。

五、燃料电池

在工作时质子交换膜燃料电池系统就相当于一个直流电源,直流电源的负极相当于燃料电池的阳极,正极相当于燃料电池的阴极。

质子交换膜燃料电池主要由阳极流场板,膜电极和阴极流场板组成,其中膜电极又包含扩散层、催化层和质子交换膜。

2 工作原理

简单地说,燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

首先氢气通过质子交换膜到达阳极,在阳极催化剂的作用下,1 个氢分子解离为 2 个氢质子,并释放出 2 个电子,阳极反应为:阳极:2H2-4e- → 4H .

在工作时质子交换膜燃料电池系统就相当于一个直流电源,直流电源的负极相当于燃料电池的阳极,正极相当于燃料电池的阴极。

燃料电池实质是一种电化学装置,组成与一般电池相同,其单体电池是由正负两个电极以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,限制了电池容量,而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件,因此,燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。

最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。它的工作原理是:将氢气送到负极,经过催化剂的作用,氢原子中两个电子被分离出来,这两个电子在正极的吸引下,经外部电路产生电流,失去电子的氢离子可穿过质子交换膜,在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得,只要不断给负极供应氢,并及时把水带走,燃料电池就可以不断地提供电能。

在电池的另一端,氧气通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂的作用下,氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水,阴极反应为: 阴极:O2 4H 4e- → 2H2O总反应式: 2H2 1/2 O2 → H2O 电能电子在外电路形成直流电。因此,只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气,就可以向外电路的负载连续地输出电能。

首先氢气通过质子交换膜到达阳极,在阳极催化剂的作用下,1 个氢分子解离为 2 个氢质子,并释放出 2 个电子,阳极反应为:阳极:2H2-4e- → 4H .

电池工作时,负极供给燃料,正极供给氧化剂。具体来说,它是利用一种叫质子交换膜的技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极催化分解成为质子和电子,氢离子进入电解液中到达正极,电子不能通过质子交换膜达到正极,而是沿外部电路移向正极,用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水并释放热量。

因为燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。

图片 1

在电池的另一端,氧气通过管道或导气板到达阴极,在阴极催化剂的作用下,氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水,阴极反应为: 阴极:O2 4H 4e- → 2H2O

燃料电池在产生电能过程中并不会产生明火,也不需要旋转式发动机等运动部件,因此,燃料电池构造简单,能量利用率高,噪音小而且稳定。理论上,应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的60~70%转化为动能,而内燃机只能达到20~25%。

上图为新能源电池性能比较

总反应式: 2H2 1/2 O2 → H2O 电能

图片 2

新能源汽车电池发展趋势

电子在外电路形成直流电。因此,只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气,就可以向外电路的负载连续地输出电能。

在发展新能源汽车上,镍氢电池技术最成熟,未来3年内仍将是新能源车的主流,之后镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下,5年后将逐渐被锂电池及燃料电池所取代。

图片 3

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