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。氫氣由陽極進入供給燃料，氧氣（或空氣）由陰極進入電池。電池經(jīng)由催化劑的作用，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，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)

2、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"。陽極反應(yīng) -陰極反應(yīng) 總反應(yīng) 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 按燃料電池的運行機理分根據(jù)燃料電池的運行機理的不同，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)。2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、熔融鹽類或固體電解質(zhì)的燃料電池。即堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池

3、(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、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料和汽油、柴油以及天然氣等氣體燃料，有機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、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

4、，可分為低溫型，溫度低于200；中溫型，溫度為200-750；高溫型，溫度高于750。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在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)生污染大氣環(huán)境的氮氧化物。熔融碳酸鹽燃料電池(M C F C)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。但由于工作溫度高，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)，包括航天飛機提供動力和飲用水。 陽極反應(yīng)：2H2 + 4OH- 4 H2O +

5、4e-陰極反應(yīng)：O2 + 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。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子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定發(fā)電裝置。 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)也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為氧化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。圖9-10磷酸燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理電流氫氣水氧氣陽極陰極磷酸負(fù)載H+2.磷酸燃料電池（PAFC） PAFC采用重整天然氣作燃

6、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 。磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以濃磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負(fù)電極的中溫型燃料電池?？梢栽?50220工作。具有電解質(zhì)穩(wěn)定、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，是一種接近商品化的民用燃料電池。陽極反應(yīng)：H2+2e- 2H+   陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+  H2O+2e-總反應(yīng)：  1/2O2 +H2 H2O  PAFC是目前

7、單機發(fā)電量最大的一種燃料電池。由多節(jié)單電池按壓濾機方式組裝構(gòu)成電池組。PAFC的工 作溫度一般為 200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。 3熔融碳酸燃料電池（MCFC）工作溫度可達650。這種電池的效率很高，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 H2O + CO2 + 2e-陰極反

8、應(yīng)：CO2 + 1/2 O2 + 2e- CO32-電池反應(yīng)：O2+2H2 2H2O四大優(yōu)勢： 在工作溫度下，MCFC可以進行內(nèi)部重整燃料，例如在陽 極反應(yīng)室進行甲烷的重反應(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650700，其余熱可用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能，可以用于供暖；燃料重整時產(chǎn)生的CO 可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為高溫燃料電池，不會受到CO的中毒催化劑的威脅；催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。  4質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 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。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換

9、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)：H22H+2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e- H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2 H2O PEMFC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的膜為高分子聚合物，僅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

10、，同時質(zhì)子導(dǎo)體也無法進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璃化溫度下施加一定壓力，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）壓和在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件 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，是一種在中高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)一樣得到廣泛普及應(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)，因為電池的工作溫度約為1000。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高，它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，