燃料电池种类工作原理及结构

燃料电池燃料电池是将燃料和氧化剂中存在的化学能直接转化为电能的发电装置。当燃料和空气分别进入燃料电池时，电会惊人地产生。像蓄电池这样的阳极和电解质看似表面，实际上不是“电储存”，而是“发电站”。燃料电池有两个充满电解质的正负电极，两个电极之间有渗透性的薄膜。氢从正极进入供应燃料，氧(或空气)从负极进入电池。电池通过催化剂将阳极的氢原子分解成氢质子和电子。在这里，质子进入电解质，被氧气“拖”到薄膜的另一边，电子通过外部电路形成电流，然后到达阴极。在阴极催化作用下，氢质子、氧、电子反应，形成水分子。这就是水电解反应的反过程，所以水是燃料电池的唯一排放物。利用这个原理，燃料电池在工作中可以以“发电机”的形式不断向外传输。阳极反应-阴极反应总反应电池与电池反应一起向外输出电力。只要维持氢和氧的供应，这种燃料电池就不断地发电。燃料电池分类1根据燃料电池工作机制根据燃料电池的工作机制，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如，磷酸燃料电池(PAFC)和液体氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。2根据电解质种类根据燃料电池使用的电解质种类，可分为酸性、碱性、熔盐或固体电解质的燃料电池。例如碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快速起动，并且可以作为移动电源，符合燃料电池电动车(FCEV)的要求，因此更具竞争力。3按燃料类型燃料电池的燃料包括氢、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，以及汽油、柴油、天然气等气体燃料。有机燃料和天然气燃料必须经过转化炉“改造”，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用的燃料类型，可以分为直接燃料电池、间接燃料电池和可再生燃料电池。4按工作温度根据燃料电池工作温度，可分为低温型，温度低于200；中温类型，温度为200 750。高温类型，温度超过750 。在室温下工作的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，大部分核能转换为电能，只发生少量的余热和水，不发生污染大气环境的氮氧化物的催化剂，需要贵金属。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下制造，这种燃料电池不需要贵金属作为催化剂。但是操作温度高，需要利用余热的复合余热回收装置，但体积大。1碱性染料电池碱性燃料电池是这项技术发展最快的一种电池，主要负责航天飞机的动力和饮用水等太空任务。阳极反应：2H2 4OH- 4 H2O 4e-阴极反应：O2 h2o4 e- 4oh-总反应：O2 2H2 2H2O碱性燃料电池的工作温度约为80 。因此，虽然运转速度快，但其功率密度比质子交换膜燃料电池的密度小10倍左右，因此，汽车使用看起来有些别扭。但是它们是燃料电池中生产成本最低的电池，可以用于小型固定发电设备。像质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对可能污染催化剂的一氧化碳和其他杂质非常敏感。一氧化碳还对氢氧化钾电解质反应，产生碳酸钾，降低电池性能，因此不含一氧化碳为原料。图9-10磷酸燃料电池结构和工作原理电流氢水氧气阳极阴极磷酸负载h磷酸燃料电池(PAFC)PAFC以天然气为燃料，空气为氧化剂，含磷酸的微孔膜为电解质，Pt/C为催化剂，工作温度为200 。磷酸燃料电池(pafc)是一种中温燃料电池，以浓缩磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正负电极。可以在150 220 下工作。具有电解质稳定性、磷酸浓度、水蒸气抑制、阳极催化剂不易共同毒性的优点，是接近商品化的民间燃料电池。阳极反应：H2 2e- 2H阴极反应：1/2 O2 h H2O 2e-总反应：1/2O2 H2 H2OPAFC是目前单机上最大的燃料电池。用多个单电池组装成压滤机，构成电池组。PAFC的工作温度一般约为200 ，能量转化率约为40%，必须持续排除余热以确保电池工作稳定性。3熔融碳酸燃料电池(MCFC)工作温度可达650 。这种电池效率高，但对材料需求的要求也高。熔融碳酸盐燃料电池与上述燃料电池的差异很大。这种电池不是使用熔化的碳酸锂钾，也不是用碳酸锂作为电解质。当温度加热到650 时，这种盐会融化，产生碳酸离子，从阴极流向阳极，与氢结合，产生水、二氧化碳和电子。然后电子通过外部电路返回阴极，在这个过程中发电。阳极反应：CO32- H2 H2O CO2 2e-阴极反应：CO2 1/2 O2 2e- CO32-电池反应：O2 2H2 2H2O四个主要优点： MCFC在工作温度下在阳极反应室制造甲烷再反应等内部重整燃料，所需的热量由电池反应的余热供给。MCFC工作温度为650 700 ，其余热量可用于压缩反应气体，提高电池性能，可用于加热。燃料重组时产生的CO可以用作MCFC的燃料，因为MCFC是高温燃料电池，不受CO中毒催化剂的威胁。催化剂是不使用贵金属的镍合金。4质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池PEMFC是理论上相当于水电解“反”装置的燃料电池。单个电池由正极、负极、质子交换膜组成，正极是氢燃料氧化的地方，负极是氧化剂还原的地方，正极包含加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜用作电解质。工作时使电流持续流动的电源的正极，即电源的负极，负极，等于电源的正极。两个电极的反应分别是：阳极反应：H22H 2e-阴极反应：1/2 O2 h 2e- H2O电池反应：H2 1/2O2 H2OPEMFC的电极，通常称为膜电极组件，是指质子交换膜及其两侧各由多孔气体扩散电极(带催化剂的多孔碳布)构成的阴极和电解质的复合物。PEMFC比AFC、PAFC更难将电极与胶片接触。PEMFC的膜仅凭电池组装力不能在电极和离子交换膜之间形成良好的接触，质子导体也不能进入多孔气体电极的内部。必须制造电极-膜-电极的三对一零件。如果在玻璃化温度下对全氟磺酸树脂施加一定压力，则在添加全氟磺酸树脂的氢电极(阳极)、隔膜(全氟磺酸交换膜)和添加全氟磺酸树脂的氧电极(阴极)压力下，形成电极-膜-电极三申元件5固体氧燃料电池(SOFC)固态密封(SOFC)是第三代燃料电池，是一种全固态化学发电设备，它可以将在中、高温下直接存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转换为电能。众所周知，今后将像质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样广泛普及的燃料电池。使用固体电解质(钻石氧化物)，性能良好。他们必须采用适当的材料和工艺处理技术，因为电池的工作温度约为1000 。固体氧化物燃料电池不使用液体电解质，而是使用以氧化钇稳定的氧化锆等固体陶瓷电解质，在比熔化的碳酸盐燃料电池更高的温度下工作。工作温