18新利最新登入燃料电池的工作原理

燃料电池将与许多其他能量转换设备,包括燃气轮机在你的城市权力植物,汽油发动机在你的车和电池在你的笔记本电脑。内燃机涡轮和汽油发动机燃烧燃料和使用带来的压力气体的膨胀做机械功。电池化学能转换成电能。燃料电池应该做两个任务更有效率。

燃料电池提供一个直流电压(直流),可以使用汽车、灯光或任何数量的电器。

有几种不同类型的燃料电池,每使用一个不同的化学。燃料电池通常是由他们的工作温度和分类的类型电解液他们使用。某些类型的燃料电池适合使用的固定式发电植物。其他人可能是有用的为小型便携式应用程序或驱动汽车。燃料电池的主要类型包括:

聚合物交换膜燃料电池(PEMFC)

美国能源部(DOE)是专注于质子交换膜燃料电池作为交通应用程序最可能的候选人。质子交换膜燃料电池具有高功率密度和相对较低的工作温度(从60到80摄氏度,或140到176华氏度)。低工作温度意味着它并不需要太久的燃料电池热身并开始发电。我们吗?你仔细看看下一节的质子交换膜燃料电池。

固体氧化物燃料电池(SOFC)

这些燃料电池是最适合大规模固定发电机,可以为工厂提供电力或城镇。这种类型的燃料电池在高温(700至1000摄氏度)。这种高温使得可靠性问题,因为部分燃料电池可以反复的循环后分解。18新利最新登入然而,固体氧化物燃料电池在连续使用非常稳定。事实上,固体氧化物燃料电池已经证明的最长使用寿命在一定操作条件下燃料电池。高温也有一个优势:蒸汽产生的燃料电池可以用于涡轮机产生更多的电力。这个过程称为的热电联产(CHP)它可以提高系统的整体效率。

碱性燃料电池(亚)

这是一个最古老的燃料电池的设计;美国太空计划已经使用他们自1960年代。亚足联非常容易受到污染,所以它需要纯氢和氧。它也非常昂贵,所以这种类型的燃料电池不太可能商业化。

Molten-carbonate燃料电池(MCFC)

固体氧化物燃料电池,这些燃料电池也最适合大型固定发电机。他们在600摄氏度,所以他们可以产生蒸汽,可用于生成更多的权力。他们有一个操作温度低于固体氧化物燃料电池,这意味着他们不需要这种特殊材料。这使得设计更便宜一点。

磷酸燃料电池(PAFC)

磷酸燃料电池有潜力用于小型固定式发电系统。它运作在温度高于聚合物交换膜燃料电池,所以它有更长的预热时间。这使得它不适合用于汽车。

直接甲醇燃料电池(DMFC)

甲醇燃料电池相媲美的质子交换膜燃料电池工作温度,但并不高效。同时,DMFC需要一个相对大量的铂作为催化剂,这使得这些燃料电池昂贵。

在以下部分中,我们将仔细看看的燃料电池能源部计划利用权力——未来的汽车质子交换膜燃料电池。

的聚合物交换膜燃料电池(质子交换膜燃料电池)的一个最有前途的燃料电池技术。这种类型的燃料电池可能会最终推动汽车,公共汽车,甚至你的房子。质子交换膜燃料电池使用一个最简单的任何燃料电池的反应。首先,让我们看看什么是PEM燃料电池:

在图1你可以看到有四个质子交换膜燃料电池的基本元素:

图片压缩氢气(H₂)进入燃料电池阳极的一面。这种气体是被迫通过催化剂的压力。当一个H₂分子接触的铂催化剂,它分裂成两个H⁺离子和两个电子(e^{- - - - - -})。电子通过阳极,使他们的方式通过外部电路(做有用的工作,如将汽车)并返回到燃料电池阴极一侧的。

与此同时,在燃料电池的阴极侧,氧气(O₂)是被迫通过催化剂,形成两个氧原子。每一个原子有很强的负电荷。这个负电荷吸引了两个H⁺离子通过膜,结合一个氧原子和两个外部电路的电子形成水分子(H₂O)。

这个反应在一个燃料电池产生只有0.7伏特。这个电压到合理水平,许多单独的燃料电池必须结合起来形成一个燃料电池堆。双板是用来连接两个燃料电池和都接受吗氧化和减少条件和潜力。双极板有一个很大的问题是稳定的。金属双极板可以腐蚀,腐蚀的副产品(铁和铬离子)可以减少燃料电池膜和电极的有效性。低温燃料电池使用轻质金属,石墨和碳/热固性复合材料(热固性塑料是一种保持刚性即使受到高温)双极板材料。

在下一节中,我们将看到如何高效的燃料电池汽车。18新利最新登入

减少污染的一个主要目标是燃料电池。通过比较一个燃料电池驱动的汽车gasoline-engine-powered汽车和电池驱动的汽车,你可以看到今天燃料电池可能会提高汽车的效率。18新利最新登入

因为所有三种类型的汽车有许多相同的组件(轮胎,传输等等),我们将忽略,汽车的一部分,比较效率,生成机械功率。让我们先从燃料电池车。(所有这些效率近似,但他们应该足够接近做一个粗略的比较)。

如果与纯氢燃料电池驱动,它有可能是80%有效的。也就是说,它将80%的氢的能量转换成电能。18新利最新登入然而,我们仍然需要把电能转化为机械功。这是通过电动机和变频器。合理数量的电机/逆变器的效率约为80%。我们有80%的发电效率,效率将它转换为机械功率的80%。出的整体效率64%。据报道,本田的FCX概念车有60%的能源效率。

如果不是纯氢燃料来源,那么这辆车还需要一个改革者。一个改革者烃或酒精燃料转化为氢。他们产生热量,产生氢以外的其他气体。他们使用各种设备来清理氢,但即便如此,氢的他们不纯,这降低了燃料电池的效率。因为改革者影响燃料电池效率,能源部决定集中精力研究纯氢燃料电池汽车,尽管与氢的生产和储存相关的挑战。

接下来,我们将了解汽油-电动汽车的效率。

汽油车的效率很低。所有的热量来自排气或进入散热器是浪费能源。引擎也使用大量的能量把各种水泵、风扇和发电机,保持它。所以汽车燃气发动机的整体效率20%。也就是说,只有约20%的汽油的放内容转化为机械功。

电池驱动的电动汽车具有相当高的效率。电池效率约90%(多数电池产生一些热量,或需要加热),和电动马达/逆变器效率约为80%。这给了一个的整体效率72%。

但这并不是故事的全部。电力用于汽车必须生成的地方。如果是来自于发电厂,使用燃烧过程(而不是核能、水力发电、太阳能或风能),那么只有40%的电厂所需的燃料转换成电能。充电汽车的过程需要交流电(AC)电源转换成直流电(DC)的权力。这个过程的效率约为90%。

那么,如果我们看整个周期,电动汽车的效率是72%的汽车,40%的发电厂和90%充电汽车。这给出了一个整体的效率26%。总体效率存在着很大的差别取决于什么样的电厂使用。如果汽车的电力是由一个水电站为例,它基本上是免费的(我们不消耗任何燃料生成),和电动汽车的效率65%。

科学家们正在研究和提炼设计继续提高燃料电池的效率。一种方法是将燃料电池和电池驱动的汽车。福特汽车和气流正在开发一种概念车由燃料电池混合动力传动系统命名HySeries开车。福特声称车辆的燃油经济性与41英里每加仑。车辆使用锂电池电力汽车,而燃料电池充电电池。

燃料电池汽车可能作为有效的电池驱动汽车,依赖于non-fuel-burning发电厂。但达到潜在实用和实惠的方法可能是困难的。在下一节中,我们将考察的一些挑战的燃料电池能源系统成为现实。

燃料电池可能是我们的权力问题的答案,但首先,科学家必须解决几个重大问题:

成本

与燃料电池相关的首要问题是昂贵的。18新利最新登入的许多组件的燃料电池是昂贵的。对于质子交换膜燃料电池系统,质子交换膜,贵金属催化剂(通常是白金),气体扩散层,和双相钢板占系统的成本的70%[来源:对一个氢经济基础研究的需求]。为了具有价格竞争力(汽油车相比),燃料电池系统必须花费35美元每千瓦。目前,预计大批量生产价格是73美元每千瓦[来源:加兰]。特别是,研究人员必须减少所需的铂作为催化剂或者寻找一种替代品。

耐用性

研究人员必须开发新型膜耐用,可以在温度超过100摄氏度,仍然函数在零度以下的环境温度。需要100摄氏度温度目标为了燃料电池有更高的公差在燃料杂质。因为你开始和停止一辆车相对频繁,重要的是膜在循环条件下保持稳定。目前倾向于降低膜在燃料电池周期,特别是在操作温度上升。

水合作用

由于水合质子交换膜燃料电池膜必须为了氢质子转移,必须找到一个方法来研究开发燃料电池系统,可以继续在零度以下,低湿度环境和高操作温度。在80摄氏度左右,没有高压水系统的水是失去了。

固体氧化物燃料电池与耐用性有一个相关的问题。固体氧化系统与材料腐蚀问题。密封的完整性也是一个大问题。固体氧化物燃料电池的成本目标吗?s是低于对质子交换膜燃料电池系统限制为400美元每千瓦,但没有明显的实现这一目标的手段由于材料成本高。固体氧化物燃料电池耐久性后遭受细胞反复加热到工作温度,然后冷却到室温。

交付

美国能源部吗?年代对燃料电池的技术方案指出,当前可用的空气压缩机技术不适合车辆使用,这使得设计一个氢燃料输送系统问题。

基础设施

为了使质子交换膜燃料电池汽车成为消费者的一种可行的选择,必须有一个氢生成和交付基础设施。这个基础设施可能包括管道、卡车运输、加油站和氢生成植物。能源部希望市场车辆模型的发展将推动基础设施来支持它的发展。

存储和其他因素

三百英里是一个传统的练习场(距离你能驾驶一辆车加满油)。为了创建一个类似的结果与燃料电池汽车,研究人员必须克服储氢方面的考虑,汽车的重量和体积,成本,和安全。

而质子交换膜燃料电池系统变得更轻和更小的改进,他们仍然太大又重用于标准的车辆。

还有安全问题相关的燃料电池使用。立法者必须创建新流程时应遵循的第一反应者他们必须处理涉及到燃料电池车辆的事故或发电机。工程师必须设计安全、可靠的氢气输送系统。

研究人员面临相当大的挑战。在下一节中,我们将探讨为什么美国和其他国家都在投资研究克服这些障碍。

为什么美国政府与大学合作,公共机构和私人企业克服所有的挑战使燃料电池实际的能源呢?超过十亿美元被花在研究和开发燃料电池。氢基础设施将花费更多来构建和维护(估计超过5000亿美元)。为什么总统认为燃料电池值得投资吗?

的主要原因都与石油有关。美国必须55%的石油进口。到2025年预计将增长到68%。三分之二的石油美国人每天使用交通工具。即使每辆车在街上是混合动力汽车,到2025年我们仍然需要使用相同数量的石油现在当我们做[来源:2000年燃料电池]。事实上,美国消耗四分之一的世界上所有的石油产量,尽管只有4.6%的世界人口生活在这里[来源:国家安全的美国石油依赖的后果]。

专家预计油价将继续上涨在未来几十年里,随着越来越多的低成本来源枯竭。石油公司将不得不越来越具有挑战性的环境中寻找石油存款,这将推高石油价格。

远远超出经济安全的担忧。对外关系委员会(Council on Foreign Relations)在2006年发布了一份报告题为“国家安全影响的美国石油的依赖。”A task force detailed numerous concerns about how America's growing reliance on oil compromises the safety of the nation. Much of the report focused on the political relationships between nations that demand oil and the nations that supply it. Many of these oil rich nations are in areas filled with political instability or hostility. Other nations violate human rights or even support policies like genocide. It is in the best interests of the United States and the world to look into alternatives to oil in order to avoid funding such policies.

使用石油和其他化石燃料能源产生污染。最近在新闻里很多污染问题——从电影《难以忽视的真相》宣布气候变化和全球变暖会考虑到未来调整的吗世界末日钟。它对每个人来说都是最好的兴趣找到替代能源燃烧化石燃料。

燃料电池技术是一个有吸引力的替代石油的依赖。燃料电池发出任何污染,事实上生产纯水作为副产品。尽管工程师专注于生产氢气来源,如天然气短期,氢倡议计划研究可再生,环保在未来生产氢的方法。因为你可以从水产生氢气,美国越来越依赖于国内的能源生产。

其他国家也在探索燃料电池的应用。国际石油的依赖和全球变暖问题。一些国家合作推进燃料电池技术研究和开发工作。一个伙伴关系是氢经济的国际合作。

显然科学家和制造商之前有很多工作要做燃料电池成为一个实用的替代目前的能源生产方式。不过,与全世界的支持和合作,我们的目标有一个可行的燃料细胞能量系统,几十年之后,可能是一个现实。