燃料電池種類工作原理及結(jié)構(gòu)

1、燃料電池燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的 發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上 看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電 廠”。燃料電池含有陽陰兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成。氫氣山陽極進(jìn)入供給燃料，氧氣(或空氣)由陰極進(jìn)入電池。電池經(jīng)山催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成氫質(zhì)子(proton)與電子 (electron),其中質(zhì)子進(jìn)入電解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子經(jīng)由 外電路形成電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質(zhì)子、氧及電子

2、，發(fā) 生反應(yīng)形成水分子。這正是水的電解反應(yīng)的逆過程，因此水是燃料電池唯一的排 放物。利用這個原理，燃料電池便可在工作時源源不斷地向外部輸電，為一種”發(fā)電機(jī)HO陽極反應(yīng)7 t2午+ +2幺陰極反應(yīng)2H+2e +丄Q THQ總反應(yīng) 2H2+O2 =2W2O伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池 就會連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。燃料電池的分類1按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。例 如磷酸燃料電池(PAFC)和液態(tài)氫氧化鉀燃料電池(LPHFC)o2按電解質(zhì)種類分根據(jù)燃料電池中使用電解質(zhì)種類的不同，可分為酸性、堿性、熔融鹽類或固

3、 體電解質(zhì)的燃料電池。即堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸 鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)等。在燃料電池中，磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 可以冷起動和快起動，可以用作為移動電源，適應(yīng)燃料電池電動汽車(FCEV)使 用的要求，更加具有競爭力。3按燃料類型分燃料電池的燃料有氫氣、屮醇、屮烷、乙烷.屮苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料 和汽油、柴油以及天然氣等氣體燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重 整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。根據(jù)燃料電池使用燃料類型的不同， 可分為直接型燃料電池

4、、間接型燃料電池和再生型燃料電池。4按工作溫度分根據(jù)燃料電池工作溫度的不同，可分為低溫型，溫度低于2000 中溫型，溫度為200-7500 高溫型，溫度高于750°Co質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在燃料電池的類型緘性燃料電池(AFC)磷酸 燃料電池 (PAFC)熔融碳酸鹽 燃料電池 (MCFC)固體氧化物 燃料電池 (SOFC)質(zhì)子交換膜 燃料電池 (PEMFC)比功率(W/kg)35 105100 22030 401520300- 1000單位面積的功率(W/cm2)0.5010.20.31-2燃料電極的燃料種類比天然氣、甲醉液化石油氣天然氣、 液化石油氣H2、CO、HCh2氣

5、電極的氧化物種類02空氣空代空代空氣電解質(zhì)有腐蝕、液體有腐蝕、液體有腐蝕、液體無腐蝕無廊蝕、固體氫戦化鉀磷酸水溶液碳酸鋰禪酸鉀氣化鉗系陶瓷系穩(wěn)定氣化偌系發(fā)電效率()456035 60456050-60啟動時間幾分種24hM10hM10h幾分鐘電荷載體OH'H*COfo-反應(yīng)溫度(七)50-200180220600 700750 100025 105應(yīng)用悄況參考應(yīng)用于應(yīng)用廣泛有可能用于有可能用于發(fā)展迅速可宇宙飛船發(fā)展迅速大型發(fā)電廠大型發(fā)電廠用于FCEV常溫下可以正常工作，這類燃料電池需要采用貴金屬作為催,化劑，燃料的化£學(xué)能絕大部分都能轉(zhuǎn)化為電能，只產(chǎn)生少量的廢熱和水，不產(chǎn)生污

6、染大氣環(huán)境的氮氧 化物。熔融碳酸鹽燃料電池(M CFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)在高溫下作, 這類燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但山于工作溫度高，需要采用復(fù)合 廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大。1堿性染料電池010-8減性燃料電池的結(jié)構(gòu) 曲電解質(zhì)和堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主 要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動力和飲用 水。陽極反應(yīng)：2H2 + 4OH- -> 4 H2O + 4e-陰極反應(yīng)：02 + 2H2O + 4 e- 4OH-總反應(yīng)：O2+2H2 ->2H2O堿性燃料電池的工作溫度大約80°C。因此，它們 的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子

7、交換膜燃 料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固左發(fā)電裝宜。 如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質(zhì)也非常陽極反應(yīng)：H2+2e- ->2H+-> HG銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因?yàn)檠趸?碳能與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池 的性能。0水板離子膜冷卻板il,12磷酸燃料電池(PAFC)PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣作氧化劑， 浸有濃磷酸的SiC微孔膜作電解質(zhì),Pt/C作催 化劑,工作溫度200°C。磷酸燃料電池(Phosphoric Acid

8、Fuel Cell. PAFC) 是以濃磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴(kuò)散電 極為正、負(fù)電極的中溫型燃料電池?？梢栽?50 220°C工作。具有電解質(zhì)穩(wěn)左.磷酸可濃縮、水蒸 氣壓低和陽極催化劑不易被co毒化等優(yōu)點(diǎn)，是一 種接近商品化的民用燃料電池。陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+ -> H2O+2e-總反應(yīng)：1/202 +H2 -> H20PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電 池。由多巧單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組°PAFC 的工作溫度一般為200C左右，能量轉(zhuǎn)化率約在40%為保證電池工作穩(wěn)定，必須連續(xù)地排除廢熱。陰榜氓一 亠H"I 2CO3J|

9、LHQ IKI 6-1 3 :工taisz-2C0,陽馭講氣口陽W3熔融碳酸燃料電池(MCFC)工作溫度可達(dá)6504Co這種電池的效率很 髙，但材料需求的要求也高。溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的 燃料電池差異較大，這種電池不是使用 °2溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650°C時，這 種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰 極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化 碳和電子。電子然后通過外部回路返回 到陰極，在這過程中發(fā)電。陽極反應(yīng):CO32- + H2-* H20 + CO2 + 2e-陰極反應(yīng)：CO2 + 1/202 + 2e->CO32-電池反

10、應(yīng)：O2+2H22H2O四大優(yōu)勢： 在工作溫度下，MCFC可以進(jìn)行內(nèi)部重整 燃料，例如在陽極反應(yīng)室進(jìn)行甲烷的重反應(yīng), 重整反應(yīng)到所需熱量由電池反應(yīng)的余熱提供； MCFC的工作溫度為6507009，其余熱可 用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能，可以用于供曖； 燃料重整時產(chǎn)生的C0可以作為MCFC的 燃料，且由于MCFC為髙溫燃料電池，不會受到CO的中毒催化劑的威脅：催化劑為線合金，不使用賢金屬。M6-2 MCFC的結(jié)構(gòu)4質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）at> c d c bqu雙極扳詢擴(kuò)k m劑層汐質(zhì)r交極槪質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC是一種燃料電 池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。苴 單

11、電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極 為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原 的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催 化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于 一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源 正極°兩電極的反應(yīng)分別為：陽極反應(yīng)：H2-2H卄2“陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+2C- -*H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2 -H20PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交 換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴(kuò)散電極（涂有催 化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質(zhì)的復(fù) 合體。與AFC、PAFC相比，PEMFC保持電極 與膜的良好接觸要困難得多。PEMFC的膜為髙分子 聚合物，僅

12、靠電池組裝力不能使電極與離子交換 膜之間有良好的接觸，同時質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入 多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極-膜-電 極的三合一組件。具體做法是將全氟磺酸樹脂玻壓和右ViMEA/PlateP°S璃化溫度下施加一泄壓力，將以加入全氟磺酸樹 脂的氫電極（陽極）、隔膜（全氟磺酸型質(zhì) 子 交換膜）和已加入全氟磺酸樹脂的氧電極（陰極）陽極電解質(zhì)陰極5固體氧燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,簡 稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中髙 溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能 高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā) 電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會與質(zhì)子交換膜 燃料電池(PEMFC)樣得到廣泛普及應(yīng)用的 一種燃料電池。采用的是固態(tài)電解質(zhì)(鉆石氧 化物)，性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料 和過程處理技術(shù)，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳒囟燃s為 1000C。固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化 的碳酸鹽燃料電池的溫度還要髙，它們使用諸 如用氧化鋰穩(wěn)泄的氧化鉛等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)， 而不用使用液體電解質(zhì)。其工作溫度位于圖7