燃料電池的結(jié)構(gòu)與原理

氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。

燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲(chǔ)能(蓄電池)方式--最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。

燃燒會(huì)釋放像COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱。

如果氫是通過(guò)可再生能源產(chǎn)生的(光伏電池板、風(fēng)能發(fā)電等)，整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過(guò)程。

燃料電池運(yùn)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(duì)噪聲有限制的地方。

燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)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(guò)熱能和機(jī)械能(發(fā)電機(jī))的中間變換。

20世紀(jì)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"飛船就工作示意圖安裝了這種體積小、容量大的裝置。

進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。

大型電站，無(wú)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(fù)荷不同，電網(wǎng)有時(shí)呈現(xiàn)為高峰，有時(shí)則呈現(xiàn)為低谷，這就會(huì)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(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)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，（先關(guān)注氫電邦了解更多干貨）不需要進(jìn)行燃燒，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)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(huì)分解，并把所吸收的氫釋放出來(lái)，這就構(gòu)成了一種良好的貯氫材料。

隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池離我們的生活越來(lái)越近。到那時(shí)，氫氣將像煤氣一樣通過(guò)管道被送入千家萬(wàn)戶，每個(gè)用戶則采用金屬氫化物的貯罐將氫氣貯存起來(lái)，然后連接氫燃料電池，再接通各種用電設(shè)備。

它將為人們創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，減輕繁重的生活事務(wù)。但愿這種清潔方便的新型能源--氫燃料電池早日在人們?nèi)粘Ｉ钪小?/span>

神秘的電堆長(zhǎng)什么模樣？

電堆組成構(gòu)件

電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。

單體電池是由將雙極板與膜電極(MEA-催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙/碳布)組成。

若干單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

1.雙極板

雙極板是由極板和流場(chǎng)組成。主要作用是氣體分配、集流、導(dǎo)熱和密封。

雙極板是電、熱的良導(dǎo)體，具有良好的機(jī)械性能，很好的阻氣性能，耐腐蝕性好等特點(diǎn)，其性能決定了燃料電池堆體積比功率和質(zhì)量比功率。

雙極板材質(zhì)主要是石墨或者合金。通常由石墨板材料制作，石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。

2.質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，起到傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離反應(yīng)氣體的作用。

在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過(guò)膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流。

質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞也直接影響電池的使用壽命。

3.碳紙/碳布

氣體擴(kuò)散層GDL通常由碳紙或者碳布組成，主要起到傳質(zhì)，導(dǎo)電，傳熱，支持催化層，導(dǎo)水的作用。

4.催化劑

作為氫燃料電池反應(yīng)關(guān)鍵，催化層是由催化劑和催化劑載體形成的薄層。催化劑主要采用Pt/C,Pt合金/C，載體材料主要是納米顆粒碳、碳納米管、碳須等。

對(duì)材料要求導(dǎo)電性好，載體耐蝕，催化活性大。

電堆是怎么工作的？

在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。

陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為傳遞H+的介質(zhì)，只允許H+通過(guò)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極即電源正極。

電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

陽(yáng)極（負(fù)極）：2H2  →4H+ + 4e-

陰極（正極）：O2 + 4H+ + 4e-   →2H2O

由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫離子（即質(zhì)子）可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。

以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V 之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱電堆)。