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【材科苗圃】氢燃料电池—面向未来的零碳“发动机”

能源在我们生活中必不可少。传统化石燃料的燃烧虽然可以产生能量,为我们生活带来便利,但是这一过程会产生大量的二氧化碳和有害物质,长期规模化利用对环境造成巨大不良影响。而且,这些传统能源(石油、煤炭以及天然气)的储量有限,因此迫切需要开发新的能源来替代化石燃料。

那么,有没有一种燃料可以在利用之后,不产生任何污染呢?科学家们发现氢气就是这样的一种物质。大家对氢元素并不陌生,小朋友们爱玩的氢气球就是由氢元素构成的氢气充起来的。氢处在元素周期表的第一位,是世界上最轻的元素,也是宇宙中含量最多的元素。氢元素的含量以及它的特质让它注定不会平凡。

氢的不平凡之处何在呢?氢气的燃烧产物只有水,不会产生任何的污染物。但氢气的燃烧反应非常剧烈,安全性较低,同时能量会转化为热能,对氢气的利用不能达到最好的程度。更有效的利用方式是将氢气的能量直接转换为电能,也就是我们所说的氢燃料电池装置。

这个电池和我们平常生活中的电池不一样,通俗点来说,它像是一个发电的发动机。家里的电动车要是没电了,我们需要给它充电,要是氢氧燃料电池没电了,只要给它通入氢气和氧气就可以了,就像汽车的发动机,汽车跑不动了给汽车加点油就好了。但是,既然叫做电池,就说明产生的是电能,而不像发动机一样产生热能。与一般电池一样,它也有阴极和阳极,阳极通入氢气,阴极通入氧气,中间加入一层质子交换膜,保证阴阳极之间可以相连接,整体结构像个三明治。

  

以上是对燃料电池的整体描述,下面我们进一步了解其内部结构与反应发生的进程,如下图所示:

阳极侧:氢气从左侧的进气口进入,经过气体扩散层,到达催化层,发生失电子的化学反应,产生的质子经过质子交换膜到达阴极催化层,而电子经过外电路从阳极到达阴极,电子在外电路的运动产生电流,向外供电;

阴极侧:氧气从右侧进气口进入,经过气体扩散层到达催化层,与从阳极传输来的质子发生反应产生水,水从阴极排出。

我们只要不停地给阳极供氢气,阴极供氧气,并及时将所产生的水排出,就可以实现持续供电。氢氧燃料电池理论上的能量利用率可以达到80%左右,是很有发展潜力的一种新能源装置。且反应的产物只有水,真正实现了零排放零污染。

以上介绍的都是单片燃料电池,而单片电池能提供的能量是有限的,想要投入到实际的应用中需要把多片电池串联在一起,组成一个电堆。就像把两个南孚电池串联在一起就能产生更大的能量一样,把许多片燃料电池连接在一起组成的电堆就可以产生很大的能量,足够驱使汽车的运行,如下图新葡萄娱乐进路网址是自主研发的120KW燃料电池电堆实物所示。

现如今对燃料电池的应用已经涉及到各个方面,像航空航天、汽车、舰船等领域都有燃料电池的身影,特别是在汽车领域,已经得到了长足的进步。相信在不久的将来,燃料电池的实际应用会更为普及。


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