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科普 | 一文读懂燃料电池

国际能源网能源资讯频道  来源:储能头条  作者:刘文琦  日期:2017-11-28

氢燃料被公认为最清洁的能源,在全球节能减排的大趋势下,氢燃料也被汽车产业列为终极解决方案。全球燃料电池市场发展迅猛,2008年全球燃料电池出货量为9.5千件,2015年燃料电池出货量达到71.5千件,是2008年的7.5倍。

氢燃料电池产业的兴起,首先离不开政策的大力推动。从《能源技术革命创新行动计划(2016年-2030年)》、《节能与新能源汽车技术路线图》,再到《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等,这些文件均明确提出要发展燃料电池汽车 ,这预示着燃料电池车的发展将要驶入快车道。

那什么是氢燃料电池呢?

燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。主要由正极、负极、电解质和辅助设备组成。

其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

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它本质是一种发电机,其燃料和氧化剂不经过燃烧而直接通过电化学反应转化成电能。因此,燃料电池不受卡诺循环的限制,能量转化效率高。燃料电池作为电能转化装置时,它的效率可以达到60%,甚至在作为热电联产装置时它的效率高达80%。

相比于其他电池,燃料电池发电效率高,它的发电效率可达到85% ~90%;此外,环境污染小,燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上,这对缓解地球的温室效应是十分重要的;燃料电池结构简单,运动部件少,工作时噪声很低;对于燃料电池而言,只要含有氢原子的物质都可以作为燃料,燃料范围十分广泛;燃料电池具有组装式结构,安装维修方便,不需要很多辅助设施,更加易于建设。

应用领域

航天领域

20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

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大型电站

无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同,电网有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷,这就会导致停电或电压不稳。另外,传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能量转换率可达60%~80%,而且污染少、噪音小,装置可大可小,非常灵活。

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氢的化学特性活跃,它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来,这就构成了一种良好的贮氢材料。

固定电源

固定电源应用是目前最大的市场 固定电源市场包括所有的在固定的位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池,比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发 电,它还可以作为动力源可以安装在片源远位置,如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带,对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大,其中美国市场目渗透率略高,大型企业的数据中心使用量呈较 明显的上升趋势。

交通运输

交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域,交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供 的燃料电池,例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

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汽车用燃料电池作为动力系统是目前关注度最高的应用领域。这是目前是爆发最迅猛,也是关注度最高的应用领域。

燃料电池为动力的叉车是燃料电池在工业应用内最大的部门之一。用于材料搬运的大多数燃料电池是质子交换膜燃料电池提供动力,但也有一些直接甲醇燃料叉车进入市场。

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