氢燃料电池的优点和缺点以及工作原理

氢燃料电池指的是一种能够利用氢的化学能来发电的电池设备,它属于清洁能源,产物和副产物只会是电、热和水。氢燃料电池提供了多种应用场合,从交通运输到应急备用电源,规模大的氢燃料电池可以像发电厂一样巨大;而规模小的氢燃料电池可以给笔记本电脑供电。

氢燃料电池相比较传统燃烧技术,具有更高的燃烧效率和更低的碳排放量。由于氢燃料电池只排放水,因此没有二氧化碳排放或其他污染物排放到大气中。氢燃料电池在运行过程中也很安静,因为它们的运动部件比其他燃烧技术更少。

氢燃料电池模型
氢燃料电池模型

氢燃料电池是如何工作?

氢燃料电池使用化学反应发电。每个氢燃料电池有两个电极;一个负极和一个正极。产生电能的反应发生在这些电极上,电解质在电极之间携带带电粒子,催化剂加速反应。

氢作为氢燃料电池的基本燃料,但电池也需要氧气才能工作。这些燃料电池的最大优势之一是它们发电时污染很少,因为用于发电的氢气和氧气结合起来会产生水作为副产品。使用纯氢作为燃料的电池完全不含碳。

其他类型的燃料电池系统包括使用天然气、沼气或甲醇等碳氢化合物燃料的燃料电池系统。由于燃料电池使用电化学反应而不是燃烧,因此它们可以实现比传统能源生产方法更高的效率。这可以通过结合使用来自电池的废热进行加热或冷却应用的热电联产发电机来进一步改善。

燃料电池的工作过程可以概括如下:

  1. 氢原子进入阳极,而氧气被送入阴极;
  2. 氢原子在阳极被分离成质子和电子;
  3. 现在带正电的质子通过膜(或电解质)到达阴极,带负电的电子走不同的路线,因为它们被迫通过电路发电;
  4. 在相应地通过电路和膜后,电子和质子在阴极相遇,在那里它们与氧气结合产生热量和水作为副产物。
氢燃料电池工作原理图
氢燃料电池工作原理图

单个氢燃料电池不会产生大量电力,因此需要将大量的氢燃料电池串联在一起,从而产生足够的电力,不同数量的氢燃料电池能够提供不同规模的发电量。

燃料电池像电池一样工作,但与电池不同的是,它们不会耗尽或需要充电,并且可以在提供燃料源(在这种情况下为氢气)的同时继续发电。

燃料电池由阳极、阴极和电解质膜组成,没有活动部件,运行安静,可靠性高。

氢燃料电池的优点和缺点

氢燃料电池的优点包括:

  • 耐用性
  • 能源安全
  • 燃料灵活性
  • 高效率
  • 低/零排放
  • 安静的操作
  • 可靠性
  • 可扩展性

氢燃料电池的缺点包括:

1.成本

鉴于使用铂作为最大的组成材料之一,燃料电池的成本可能很高。正在寻找非铂催化剂的方法

2.氢气提取

提取氢气用于燃料电池可能需要大量能源才能实现,从而破坏了燃料电池使用的绿色效益

3.基础设施

需要创建基础设施以支持燃料电池使用的增长,包括改装车辆

4.安全

氢气的易燃性对其广泛使用提出了明显的安全问题

氢燃料电池汽车是氢燃料电池的一个重要应用领域
氢燃料电池汽车是氢燃料电池的一个重要应用领域

氢燃料电池的应用场合

氢燃料电池提供了一系列应用,从为我们的家庭和企业供电到驱动车辆移动,如汽车、公共汽车和火车等等。以下是燃料电池用途的选择:

1、电源

氢燃料电池作为各种商业、工业和住宅应用的电源。氢燃料电池由于缺少移动部件而特别适用于偏远地区,这意味着它们非常可靠且不太可能发生故障。理想条件可提供高达99.9999%的可靠性,这相当于每六年的停机时间少于一分钟。

2、热电联产

通过热电联产可以使燃料电池更加高效。这是燃料电池系统用于发电,而产生的废热用于加热建筑物或为冷却系统供电的地方。热电联产系统可以达到85%的效率(其中40-60%是电力)。然而,这些系统可能成本高昂,使用寿命相对较短,并且需要热水储罐占用空间。

3、交通

燃料电池可用于各种运输应用,从汽车到公共汽车、轮船、火车和飞机。燃料电池也被用于摩托车、自行车和踏板车。

与内燃机相比,以氢气为燃料的燃料电池使用的能源减少了约40%,温室气体排放量减少了45%。然而,要成为真正可行的选择,需要解决围绕氢储存、运输和提取的许多挑战。

尽管氢燃料电池汽车面临挑战,但燃料电池公共汽车已经被证明是有效的,而叉车也是氢燃料需求的主要驱动力。叉车特别受关注,因为它们通常需要在需要控制排放的室内操作。这意味着电动叉车经常被使用,但氢燃料电池比电池供电更有优势,包括更快的加氢和在低温下(例如冷藏仓库)不会降低电量存储。

氢燃料电池也被用于载人飞行器,通常使用多种技术组合,例如在测试期间使用混合电池作为备用的质子交换膜燃料电池。氢燃料电池在无人驾驶飞行器中得到了更广泛的应用,并为飞机提供辅助动力,取代化石燃料用于启动发动机和为机载电气设备供电等应用。

氢燃料电池汽车内部结构图
氢燃料电池汽车内部结构图

4、便携电源

便携式燃料电池系统被归类为重量小于10公斤并且产生的功率小于5千瓦。这些类型的电池具有广泛的应用,可为1-50w的小型设备供电,以及为偏远地区提供1-5kW的更大功率。

与锂离子电池相比,较小的微型燃料电池旨在进入移动设备和笔记本电脑等市场,其优势包括能量密度和重量减轻。市场渗透将需要燃料电池技术的进一步发展以降低成本,但延长充电之间使用时间的承诺很有吸引力。

更大规模的便携式电源为休闲领域、军事和地理位置偏远的工业应用(如气象站)带来了希望。这些更大但仍然便携的电池组的优势在于与电池相比,每单位重量的电池可以产生更多的电量。

5.其他应用

上面列出的用途只是可以使用燃料电池的一些例子。其他应用包括为基站和基站供电、分布式发电、应急电源系统作为其他系统发生故障时的备用电源、电信、基本负荷发电厂、太阳能氢燃料电池水加热、小型电子设备的便携式充电站、小型加热设备、集装箱食品保鲜(通过发电消耗氧气)和电化学传感器。

谁发明了氢燃料电池?

第一个燃料电池由威廉格罗夫爵士于1838年发明,然而直到1932年弗朗西斯·托马斯·培根发明氢氧燃料电池之后,燃料电池才首次商业化使用已经过了一个多世纪。

碱性燃料电池,也以其发明者的名字命名为“培根燃料电池”,自1960年代中期以来一直被NASA使用,用于为卫星和太空舱提供电力。

氢燃料电池的寿命有多久?

氢燃料电池的确切寿命取决于它的用途,就像电池如何根据应用以不同的速率消耗电量一样。然而,作为一个例子,氢燃料电池汽车现在平均可以行驶500到610公里,然后才需要加氢。

汽车中的燃料电池堆设计为在车辆的整个生命周期内持续使用,大约24万到32万公里。一旦燃料电池完成其使用寿命,就可以拆卸燃料电池并回收材料。

氢燃料电池是可再生能源吗?

宇宙中丰富的氢意味着氢燃料电池是一种可再生能源。它们也是一种清洁的能源生产方法,尽管对于使用化石燃料提取氢气以及与氢气运输相关的潜在碳足迹仍然存在一些担忧。

然而,氢燃料电池技术有可能成为一种完全绿色和可再生的能源,唯一的副产品是热量(可以在其他地方使用)和水。

此外,只要有恒定的燃料和氧气来源,氢燃料电池就不会像电池一样耗尽或需要充电。

氢燃料电池的危险性

氢气在所有燃料中具有最高的可燃性范围和最低的点火能量点,导致大众对氢燃料电池安全性产生了明显的担忧。但是其实氢燃料电池和电池驱动的电动汽车并不比传统的内燃机汽车更危险。

造成这种情况的部分原因是氢气消散到空气中的速度。氢气以32公里/小时的速度直接扩散到太空中,因此,只要它没有被困在容器或结构中足够长的时间以大量积累,它就不应该太危险。

还对车辆中的氢燃料罐进行了测试,模拟碰撞并在空白范围内射击。军方甚至将一枚火箭推进式手榴弹绑在氢燃料箱的侧面,以模拟直接命中并模拟弹片损坏。在所有情况下,发现氢燃料并不比液体燃料更危险。

事实上,氢燃料电池汽车可以说比电动汽车更安全。电动汽车中的能量不像氢气那样排放到大气中,这意味着附近的电池在以后有着火或爆炸的危险。也很难扑灭电动汽车火灾的原因,此外它还会产生有毒烟雾。

氢燃料电池汽车是未来吗?

虽然现在电动汽车是趋势,但是有人说在未来氢燃料电池汽车才是真正的趋势。

氢多年来一直被用于为发动机提供动力,并且是地球表面上最丰富的元素的之一,而在小型设备中产生大量动力的能力意味着氢燃料汽车可以比全电动汽车行驶得更远。在排放方面也有好处,使其成为最清洁的燃料。

目前而言,氢燃料汽车最大的问题主要还是加氢站太少了,缺乏足够的基础设施,严重限制了氢燃料电池汽车的应用。此外公众对氢燃料电池安全性的疑虑也在一定程度上阻碍了氢燃料汽车。

尽管存在这些困难,但氢燃料电池可能成为汽车的未来的原因有很多。尤其是环境效益、与电池充电相比的加氢时间以及丰富的燃料。

许多制造商已经将氢气视为电力的补充,目前在车辆的整个生命周期内产生的二氧化碳量大致相同(电动汽车为124克/公里,氢燃料电池为120克/公里)。然而,使用生物质来获取氢气可能会使燃料电池汽车的生命周期排放量下降到约60克/公里的二氧化碳;远低于电动汽车所能达到的水平。

然而,要真正成为汽车的未来,氢燃料电池需要在技术和支持基础设施方面进行投资,以实现随时可用的加氢。在此之前,氢燃料电池将无法与电动汽车或汽油汽车和柴油汽车竞争。

结论

几十年来,氢燃料电池已用于广泛的应用,从小型电子设备到车辆。氢气是最清洁的可用能源,并不像你想象的那么危险。

氢燃料电池已经广泛用于叉车等车辆,但需要改进基础设施才能真正挑战一个地方作为满足我们运输需求的主要方法。

然而,由于具有许多非常实际的好处,氢燃料电池看起来将以某种形式成为未来发电的一部分。

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