17年專注鋰電池定制

燃料電池和氫能源汽車的工作原理是什么

來源:鉅大LARGE    2018-07-20    點擊量:5435

所謂氫能源,不是說地球上有大量氫,可“開采”來用作能源,而是水通過光分解可制得氫來代替石油、電等能源。


氫作為能源有許多優越性。水通過光分解可制得氫,水的儲量很大,又比較低廉;氫燃料燃燒后又生成水,是一種燃燒無害、十分清潔的能源。氫在儲存、輸送上比電力損失小,而且氫燃燒熱值高,1千克氫燃燒產生的熱量相當于3千克汽油或4.5千克焦炭的發熱量。但是,在應用中,氫的存儲與運輸以及利用太陽能分解水制取氫,一直是制約氫能發展的瓶頸。


再說燃料電池。它是把燃料中的化學能直接轉化為電能的能量轉化裝置,從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”,而是一個小小的“發電廠”。燃料電池也有多種類型,經過多年的探索,最有望用于汽車的是質子交換膜燃料電池。它的工作原理是:將氫氣送到負極,經過催化劑(鉑)的作用,氫原子中兩個電子被分離出來。這兩個電子在正極的吸引下,經外部電路產生電流。失去電子的氫離子(質子)可穿過質子交換膜(即固體電解質),在正極與氧原子和電子重新結合為水。由于氧可以從空氣中獲得,只要不斷給負極供應氫,并及時把水(蒸汽)帶走,燃料電池就可以不斷地提供電能。


目前,對氫能源的利用主要是氫燃料電池。它不同于電能車的顯著特點是其沒有笨重的電池負荷,并且行駛里程沒有電能驅動汽車的限制。因此,氫燃料電池可以說是一種極佳的驅動動力。用這種動力驅動的汽車被稱為零污染的氫動力汽車


燃料電池是將燃料和電解質的化學能直接轉換成電能的發電裝置,也是繼火電、水電、核電之后的第四種發電裝置,是當今發達國家十分重視的高新技術開發領域。


氫氧燃料電池以氫氣作燃料為還原劑,氧氣作氧化劑


氫氧燃料電池


氫氧燃料電池


,通過燃料的燃燒反應,將化學能轉變為電能的電池,與原電池的工作原理相同。


氫氧燃料電池工作時,向氫電極供應氫氣,同時向氧電極供應氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下,通過電解質生成水。這時在氫電極上有多余的電子而帶負電,在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后,這一類似于燃燒的反應過程就能連續進行。


工作時向負極供給燃料(氫),向正極供給氧化劑(氧氣)。氫在負極上的催化劑的作用下分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中,而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上,氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。


氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內的裝置。


氫氧燃料電池的反應物都在電池外部它只是提供一個反應的容器


氫氣和氧氣都可以由電池外提供。


燃料電池是一種化學電池,它利用物質發生化學反應時釋出的能量,直接將其變換為電能。從這一點看,它和其他化學電池如鋅錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是,它工作時需要連續地向其供給反應物質——燃料和氧化劑,這又和其他普通化學電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學反應釋出的能量變為電能輸出,所以被稱為燃料電池。


具體地說,燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發電機"。它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。最初,電解質板是利用電解質滲入多孔的板而形成,2013年正發展為直接使用固體的電解質。


工作時向負極供給燃料(氫),向正極供給氧化劑(空氣,起作用的成分為氧氣)。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。當氫離子進入電解液中,而電子就沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上,空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。此過程水可以得到重復利用,發電原理與可夜間使用的太陽能電池有異曲同工之妙。


燃料電池的電極材料一般為惰性電極,具有很強的催化活性,如鉑電極、活性碳電極等。


利用這個原理,燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電,所以也可稱它為一種"發電機"。


一般來講,書寫燃料電池的化學反應方程式,需要高度注意電解質的酸堿性。在正、負極上發生的電極反應不是孤立的,它往往與電解質溶液緊密聯系。如氫—氧燃料電池有酸式和堿式兩種:


若電解質溶液是堿、鹽溶液則


負極反應式為:


正極反應式為:


若電解質溶液是酸溶液則


負極反應式為:


正極反應式為:


總反應方程式為:


在堿溶液中,OHˉ含量極高,故負極處生成的H+會直接與OHˉ結合生成水,而正極處生成的OHˉ由于缺少H+結合而以離子的形態存在。酸性溶液則正好相反。


以氫氣作燃料、氧氣作氧化劑的一類燃料電池。氫氧從外部通過管道輸入電池進行電化學反應并輸出電能。氫氧燃料電池的理論比能量達3600瓦·時/公斤。單體電池的工作電壓一般為0.8~0.97伏,為了滿足負載所需的工作電壓,往往由幾十個單體電池串聯成電池組。


為維持電池的正常運轉,須持續供應氫和氧,及時排除反應產物(水)和廢熱。電池組由以下幾部分組成:①氫氧供給分系統:航天器攜帶的氫和氧采用超臨界液態貯存,可縮小貯罐體積,解決失重條件下氣、液態的分離問題,但要求貯罐絕熱性能好、耐低溫、耐高壓(氧罐為6兆帕、氫罐為3~3.5兆帕)。②排水分系統:主要有動態排水和靜態排水兩種方式。前者把帶有水蒸氣的氫氣循環輸送到冷卻裝置,使水蒸氣冷凝成水進行分離;后者依靠多孔纖維編織材料(如燈芯)將冷凝后的水吸附出來,又稱燈芯排水。電池組排出的水經凈化后可供航天員飲用或作冷卻劑。③排熱分系統:電池組通過冷卻劑(如乙二醇水溶液)循環,將廢熱帶到輻射器向外排放,以維持電池組正常工作的溫度范圍。④自動控制分系統:包括電池組工作壓力、溫度、排水與排氣、電壓、安全和冷卻液循環等的控制與調節。所測量的參數傳送到航天員座艙的顯示器或由遙測設備發回地面。當電池組出現故障時,自動切換到備份電池組供電。

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