燃料電池種類工作原理及結(jié)構(gòu)課件

燃料電池***車輛0902**********燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上和普通電池（battery）完全不同。燃料電池的活性物質(zhì)是存儲在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發(fā)電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質(zhì)一旦消耗完，電池的壽命就終止。燃料電池的組成燃料電池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)，水管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個子系統(tǒng)組成。燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類。

圖10－3燃料電池的基本單元

燃料電池的分類

一、燃料電池的分類1、按燃料電池的運行機(jī)理分。

分為酸性燃料電池和堿性燃料電池

2.按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)

2.1堿性燃料電池（AFC）

2.3磷酸燃料電池（PAFC）

2.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)2.2質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）2.5固體氧化物燃料電池（SOFC）3.按燃料類型分。

3.1氫燃料電池

3.2甲烷燃料電池

3.3甲醇燃料電池

3.4乙醇燃料電池

燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料電池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固體氧化物燃料電池(SOFC)(solidoxidefuelcell)2.1堿性燃料電池（AFC）2.1.1堿性染料電池簡介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。工作原理使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，

陽極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→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)也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一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10－8堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)（自由電解質(zhì)型）

2.2磷酸燃料電池（PAFC）PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。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℃。磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell,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℃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。PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。PAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)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。2.3熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工作溫度是650~700℃。與低溫燃料電池相比，MCFC的本和效率很有競爭力，概括起來有四大優(yōu)勢：①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；②MCFC的工作溫度為650~700℃，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；③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；④催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。

MCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4e-→2CO32-陽極反應(yīng)：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-電池反應(yīng)：O2+2H2→2H2OMCFC的結(jié)構(gòu)

2.4質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

2.4．1質(zhì)子交換膜燃料電池簡介質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱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。PEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2→H2OPEMFC的結(jié)構(gòu)2.5固體氧燃料電池（SOFC）2.5.1固體氧化物燃料電池簡介固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，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)，而不用使用液體電解質(zhì)。其工作溫度位于800-1000℃之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合