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  • 行業資訊

    氫與燃料電池是什么關系?

    日期:2019/8/22 10:46:18
    我們知道,除伏打電池外,所有化學能在轉變成電能之前,幾乎都要經過中間燃燒,先得到熱能,再由熱能轉換成機械能驅動汽輪機發電,把機械能再轉變成電能。由于通過這些中間環節,所以要損失許多能量,轉變效率很低,一般的火力發電,消耗的燃料只有10%左右能轉變成電力。而20世紀50年代誕生的燃料電池可以省掉中間燃燒等環節,直接讓化學能變成電能。

    簡單地說,燃料電池(Fuel Cell,FC)是一種將儲存在燃料與氧化劑中的化學能高效地轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被奇妙地生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。燃料電池的概念是1839年G.R.Grove提出的,至今已有大約160年的歷史。

    為了更好地了解燃料電池,我們有必要明白“燃料”和“電池”這兩個概念。

    氫能的應用前面我們談到過,為了利用煤或石油這樣的燃料來發電,必須先燃燒煤或石油。它們燃燒時產生的能量可以對水加熱而使之變成蒸汽,蒸汽則可以用來使渦輪發電機在磁場中旋轉。這樣就產生了電流。也就是說,我們是把燃料的化學能轉變為熱能,然后把熱能轉換為電能。在這種雙轉換的過程中,許多原來的化學能浪費掉了。然而燃料非常便宜,這種浪費也不妨礙我們生產大量的電力,因而無需昂貴的費用,也還有可能把化學能直接轉換為電能,而無需先轉換為熱能。為此,我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學溶液組成,其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進行特殊的化學反應,電子不是被釋出就是被吸收。一個電極上的電勢比另一個電極上的大,因此,如果這兩個電極用一根導線連接起來,電子就會通過導線從一個電極流向另一個電極。這樣的電子流就是電流,只要電池中進行化學反應,這種電流就會繼續下去。手電筒的電池是這種電池的一個例子。在某些情況下,當一個電池用完了以后,人們迫使電流返回流入這個電池,電池內會反過來發生化學反應,因此,電池能夠貯存化學能,并用于再次產生電流。汽車里的蓄電池就是這種可逆電池。在一個電池里,浪費的化學能要少得多,因為其中只通過一個步驟就將化學能轉變為電能。然而,電池中的化學物質都是非常昂貴的。鋅用來制造手電筒的電池。如果試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來為整個城市準備電力,那么,一天就要花費數十億美元。

    燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結合在一起的裝置。它是一種電池,但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進行化學反應。這些燃料的化學能也通過一個步驟就變為電能,比通常通過兩步方式的能量損失少得多。于是,可以為人類提供的電量就大大地增加了。

    燃料電池實質上是根據控制氫彈爆炸的理論設計的,太空船的太陽能板所聚集的電磁和太陽能將會轉換成電能,而電能會用來慢慢地將存放在燃料電池內的氫置換成燃料。燃料電池內也含了一小部分受控制量的可進行核分裂的物質,這些物質依序用來與氫核進行核反應。核反應在燃料電池內進行,在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來推進太空船。在最后的旅程階段,燃料電池提供了燃料火箭動力所需的氫。這整個過程受控在強大的電磁下,它能提供能量并且避免過量的能量外泄導致反應爐核心熔毀。核反應的一項副產物——熱能,則被燃料電池的外壁吸收并轉換成供給電腦、維生系統和其他必要功用的電能。

    燃料電池的結構和制造都比較簡單。人們可以將含有氫的天然氣等燃料從一根管道送進電池,將氧或氧化劑從另一根管道送進電池;天然氣中的氫在有微孔的燃料電極上與氫氧化鉀等堿性電解質進行氧化反應,生成帶正電的離子和電子;電子通過電路進入氧化劑那邊的微孔電極上,并在這個電極上與氧化劑及電解質進行還原反應,生成帶負電的離子。這樣,正負離子在電解質中結合,生成水蒸氣并產生電能。因此只要不斷將含有氫的燃料和氧化劑供給電池,并及時把電極在反應過程中產生的化合物(水)排出,就能通過燃料電池將燃料產生的化學能直接轉換成電能,這一過程被稱為電化學反應。

    由于這種反應過程惟一的生成物是水,從而避免了火力發電站產生大量二氧化碳和二氧化硫等有害氣體對環境的污染。也不像原子能發電站那樣,必須處理帶有放射性的核廢料。

    美國科學家最近研制出世界上最小的燃料電池,這種電池的直徑只有3毫米,可以產生0.7伏的電壓并能持續供電30個小時,這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發電,它由4個部分組成。上一層是儲水池,下層是一個裝有金屬氫化物的燃料堂,中間以一層薄膜隔開,在金屬氫化物的燃料堂下方,還有一組電極。薄膜上還有許多小孔,使得儲水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進入燃料堂,水分子進入燃料堂后,與金屬氫化物發生化學反應并產生氫氣。氫氣隨之會充滿整個燃料堂,并向上沖擊薄膜。阻止水流繼續流入,然后氫氣會在燃料堂下層的電極處發生化學反應,形成電流。
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