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船海探索燃料电池:小世界里有大乾坤

发布时间:2024-04-12 11:49:56
阅读: 15590
发布者: 足球直播小久

  有一种电池叫燃料电池,很多人对这一个名字不太理解,它和普通电池有什么不一样?普通的干电池、蓄电池是一种储能装置,能够把电能贮存,需要时再释放开来。而燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能通过电化学反应直接转化为电能和热能的发电装置。

  按电解质的种类不同,可分为质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

  按燃料类型不同,又可大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙烷燃料电池、乙醇燃料电池等。

  燃料电池的种类很多,我们以目前应用最为广泛的质子交换膜氢燃料电池为例。质子交换膜氢燃料电池的电解质通常为全氟磺酸型固体聚合物,质子交换膜只允许质子通过而不允许电子通过。其催化剂一般以贵金属铂和铂碳颗粒为主,催化剂用来加速电极上发生的电化学反应。

  质子交换膜氢燃料电池将氢气与氧气进行电化学反应,阳极(负极)是氢电极,阴极为氧电极(正极)。其工作原理如下图:

  这样,因为电子在外部电路的流动而形成电流,所以只要源源不断向氢燃料电池阳极和阴极分别供给氢气和氧气,就可以向外部电路连续输出电能。

  用氢气作为燃料的燃料电池主要生成物质为水,属于“零污染”。用碳氢化合物(甲烷、甲醇、乙烷、乙醇等)作为燃料的燃料电池主要生成物质为水、二氧化碳等,属于“超低污染”。

  理论上,燃料电池的发电效率可达到85%~90%,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40%~60%。若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上。

  使用的燃料易燃易爆,特别是氢气,它的爆炸极限极宽,氢气在空气中的体积浓度在4.0%~75.6%之间时,遇到火源就会发生爆炸。

  使用的燃料要安全运输和储存并不是特别容易,特别是氢气,它分子体积很小,具有极强的渗透性,容易从储存容器和管路泄露出去。

  由于没有大规模产业化生产,电堆关键材料及核心组件(例如催化剂、极板、质子交换膜等)价格昂贵,致使燃料电池造价较高,远超于同功率内燃机的价格。

  燃料电池动态响应较慢且输出电压特性偏软,在一些应用场景中需与别的类型电源配合使用。

  燃料电池的历史可以追溯到19世纪。1839年,英国科学家威廉·罗伯特·格罗夫(William Robert Grove)提出燃料电池的概念,至今已有整整180年历史,并且他成功研制了第一台燃料电池。

  随着燃料电池理论和类型的不断丰富,1952年培根型碱性燃料电池出现。20世纪60年代,中温燃料应用于“阿波罗”登月飞船的电源。20世纪90年代以来,人类更加意识到环境保护的重要性,所以燃料电池的发展更进一步,便携式电源、飞机等航天设备的燃料电池和电动汽车相继出现并得到快速发展。

  到目前为止,燃料电池已经应用在航天航空、汽车、电站、通信基站、潜艇等方面。在我国,许多城市都已开始运营燃料电池公交车。

  从21世纪初开始,美国、德国、挪威、日本建造的燃料电池渡轮、游船、工程船、渔船已先后投入示范营运。

  在我国,虽已有小型燃料电池船舶研制成功,但没有燃料电池船舶真正投入营运,根本原因如下:

  第二,燃料电池要在船舶上应用,需要燃料电池、燃料供给、氧化剂供给、水热管理和电能管理控制等多套子系统协同工作,多系统在船舶上协同工作技术尚不成熟完善;

  第四,由于船舶所处环境,盐雾、潮湿空气、油雾、霉菌、倾斜、摇摆、船舶振动等因素会造成燃料电池的损伤,降低其可靠性和有效寿命,严重时会造成燃料泄漏及非正常化学反应导致燃烧甚至爆炸事故;

  虽然燃料电池在船舶应用尚存在很多问题,但船舶行业实行绿色环保、节能减排已是大势所趋。

  小安大胆猜想,在以上问题得到解决后,燃料电池会在船舶上大范围的应用,特别是以下场景:

  1.作为推进动力和辅助动力装置,应用于内河、湖泊和近海的游船和游艇,以满足该类型船舶对节能减排和提升船舶舒适度的需求;

  2.作为推进动力和辅助动力装置,应用于科考船等船舶,以满足该类型船舶对噪声振动及废气排放的需求;

  3.作为辅助动力装置,应用于频繁进出港的散货船和客船,以满足该类型船舶对港口环境保护的需求。

  鉴于行业发展的实际的需求,中国船级社(CCS)正在编写《船舶应用燃料电池发电装置指南》,以便为燃料电池应用于船舶奠定规范基础。