燃料電池種類工作原理及結(jié)構(gòu)

1、 /6 / 6燃料電池燃料電池(FUelCe I I )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萍膜所構(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(e Iectron),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，

2、氫質(zhì)子、氧及電子，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。 陽極反應(yīng)-*陰極反應(yīng)肌2HJ +2e總反應(yīng) 2H+2w +丄C THQ2 r j伴隨著電池反鋰2%/舗麗盈血金。只要保持氫乞和氧氣的供給，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) 02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

3、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(P EMFC)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

4、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，可分為低溫型，溫度低于200(;中溫型，溫度為 200-750 C;高溫型，溫度高于750Co質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)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(S0FC)質(zhì)子交換膜燃料電 池(PEMFC)比功率(W/kg)35 105100 22030-401520300_ Ia)0單位面積的功率(W / cm)0.50. 10.20.31-2燃料電極的燃料種類%天然氣、甲醉液化 石油氣天然氣、液化石油氣H2、 CO、 HCH2氣電極的氧

5、化物種類0：空氣空代空代空氣電解質(zhì)有腐蝕、液體氫戦化鉀有腐蝕、液體磷酸 水溶液有腐蝕、液體碳酸 鋰/三酸鉀無腐蝕氣化鉗系陶瓷系無廊蝕、固體穩(wěn)定 氣化偌系發(fā)電效率()456035 60456050 60啟動時間幾分種2 4hml hMloh幾分鐘電荷載體OH-H*Cof0-反應(yīng)溫度(七)5028180220600 700750 IOoO25 105應(yīng)用悄況參考在常溫下可應(yīng)用于宇宙飛船人正常工作，這類如應(yīng)用廣泛發(fā)展迅速A料電池需要采用f有可能用于大型發(fā) 電廠亍金屬作為催化劑,有可能用于大型發(fā)電廠燃料的化學(xué)能絕發(fā)展迅速可用于FCEV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

6、化物熔融碳酸 鹽燃料電池(M CFC)和固體氧化物燃料電池(S 0FC)在高溫下作，這類燃料電池不需要釆 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010-8減性燃料電池的驅(qū)(Ainvr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)，包括航天飛機提供動力和飲用 水。陽極反應(yīng)：2H2+ 4OH4 H20+4e-陰極反應(yīng)：02 + 2H20 + 4 e 40H-總反應(yīng)： 02+2H2 f2H20堿性燃料電池的工作溫度大約80Co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

7、。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本靈低的一種電池，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)也非常陽極磷酸陰極圖9-10磷酸燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理陽極反應(yīng)：H2+2e- *2H+水板離孑膜 陽極 陰極 雙極板.丨 0 /銘感此外，其原料不能含有一氧化破，因為氣化碳能 與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池 的性能。2o磷酸燃料電池(PAFC)PAFC釆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200C磷酸燃料電池(PhOSP hor i C ACid FUel Cell, P

8、AFC)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?？?以在15022 0 C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建化等優(yōu)點，是一種接近商品化 的民用燃料電池。陰極反應(yīng)：1 /202+ 2 H+ -H20+2e-總反應(yīng)：1/202 +H2 - H20PAFC是目前單機發(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 C左右，能董轉(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.HQ3熔融碳酸燃料電池(MCFC)工作溫度可達650C0這種電池的效率很高，但材料需 求的要求也商。

9、溶化的破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 C 時，這種鹽就會溶化.產(chǎn)生破酸根離子，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)：C032- + H2 - H20 + CO2 + 2e 陰極反應(yīng)：C02 + 1 / 2 02 + 2e-C032電池反應(yīng)：02 2H2 -2H20四大優(yōu)彷： 在工作溫廈下,MCFC可以進行內(nèi)部重整 燃料，圖6-1 MaHj的工作原理彳一 *陰檢厶口1 JI 4 * ! C W 例如在陽 極反應(yīng)室進行甲烷的重

10、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 C,其余熱 可用 來壓縮反應(yīng)氣體以提離電池性能，可以用于供暖；燃料重整時產(chǎn)生的C0可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為離溫燃料電池，不會受到Co的中毒催化劑的威脅；催化劑為線合金，不使用貴金屬。圖62 MCFC的結(jié)構(gòu)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

11、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+2e-陰極反應(yīng)J/ 202三2H+2e- -H20電池反應(yīng)：H2+1 / 202 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)各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔 碳布）紐成的陰.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，同時質(zhì)子導(dǎo)體也無 法進入多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極一膜- 電極的三合一組件。具體做法是將全鼠磺酸樹脂玻璃 化溫度下施加一定壓力，舟

12、以加入全氛磺酸樹脂的氫電 極（陽極）、隔膜（全鼠磺酸型質(zhì)子U f極扳詢擴/層：催劑：層質(zhì)F交極益件交換用極）J1PlateH2r=r=0,也H.06O2A9=J o,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(SOI id OXide FUelCell,簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中鬲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)電裟置。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。釆用的是固態(tài)電解質(zhì)(鉆石氧化物)，性能很好。他們需要釆用相應(yīng)的材料和過程處理技術(shù)，因為電池的工作溫度約為1000 C.固態(tài)氧化揚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億穩(wěn)定的氧化錯等固態(tài)陶進電解質(zhì)，而不用使用