燃料电池的工作原理

1、燃料电池的工作原理研究成员：郑思宇、赵善姗 张乐、章宗宇 燃料电池燃料电池(Fuel Cell)(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池蓄电池，但实质上它不能但实质上它不能“储电储电”而是一个而是一个“发电厂发电厂”。但。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发

2、电电。碱性氢氧燃料电池以强碱为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。在阳极，氢气与碱中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的OH-通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。碱性石棉膜型氢氧燃料电池单电池工作原理碱性石棉膜型氢氧燃料电池单电池工作原理 碱性燃料电池的特点碱性燃料电池的特点(1) AFC(1) AFC具有较高的效率具有较高的效率(50%55%)(50%55%)；(2) (2) 工作温度大约工作温度大约8080，启动很快，但其电力密度却比质子交换，启动很快，但其电力密度却比质子交换膜

3、燃料电池的密度低十几倍；膜燃料电池的密度低十几倍；(3) (3) 性能可靠，可用非贵金属作催化剂；性能可靠，可用非贵金属作催化剂；(4) (4) 是燃料电池中生产成本最低的一种电池；是燃料电池中生产成本最低的一种电池；(5) (5) 是技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞是技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水，用于交通工具，具有一定的发展和应用机提供动力和饮用水，用于交通工具，具有一定的发展和应用前景；前景；(6) (6) 使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造成环境污染。成环境污染

4、。n1. 质子交换膜燃料电池的基本结构1）质子交换膜：兼有隔膜和电解质的作用，且是选择通过性膜，只允许H+穿过，其他粒子、气体及液体不能通过。2）电催化剂：气体扩散电极上都有一定量的催化剂，有铂系和非铂系两类。n 3）电极：多孔扩散电极，由扩散层和催化层构成。扩散层：导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层，收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。催化层：进行电化学反应的区催化层：进行电化学反应的区域，是电极的核心部分，其内域，是电极的核心部分，其内部结构粗糙多孔，因而有足够部结构粗糙多孔，因而有足够的表面积以促进氢气和氧气的的表面积以促进氢气和氧气的电化学反应。电化学

5、反应。(4)(4)双极板与流场。双极板又称双极板与流场。双极板又称集流板，作用是分隔反应气体，集流板，作用是分隔反应气体，收集电流，将各个单电池串联收集电流，将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。入电极及水的排出提供通道。 质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池的工作原理 水电解的水电解的“逆逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换场所，

6、两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。膜为电解质。质子交换膜燃料电池的特点质子交换膜燃料电池的特点优点：优点：(1) (1) 能量转化效率高。能量转化效率高。(2) (2) 可实现零排放。可实现零排放。(3) (3) 运行噪声低，可靠性高。运行噪声低，可靠性高。 仅有气体和水流动。仅有气体和水流动。(4) (4) 维护方便。维护方便。 内部构造简单，电池模块呈现自然的内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化积木化”结构，结构，使得电池组的组装和维护都非常方便，也很容易实现使得电池组的组装和维护都非常方便，也很容易实现“免维护免维护”设计。设计。(5) (5) 发电效率平稳。

7、发电效率平稳。(6) (6) 氢来源广泛。氢来源广泛。 (7) (7) 技术成熟。氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常技术成熟。氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。成熟、安全、可靠。 缺点：缺点： (1) (1) 成本高。成本高。 因为膜材料和催化剂均十分昂贵。因为膜材料和催化剂均十分昂贵。 (2) (2) 对氢的纯度要求高。对氢的纯度要求高。 这种电池需要纯净的氢。这种电池需要纯净的氢。 PEMFCPEMFC工作温度低，启动速度较快，功率密度较高工作温度低，启动速度较快，功率密度较高( (体积体积较小较小) )，所以很适于用作新一代交通工具动力。，所以很

8、适于用作新一代交通工具动力。 从目前发展情况看，从目前发展情况看，PEMFCPEMFC是技术最成熟的电动车动力源，是技术最成熟的电动车动力源，PEMFCPEMFC电动汽车被业内公认为是电动汽车的未来发展方向电动汽车被业内公认为是电动汽车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。统。 磷酸燃料电池的结构磷酸燃料电池的结构 PAFC的电池片由基材及肋的电池片由基材及肋条板触媒层所组成的条板触媒层所组成的燃料燃料极极、保持磷酸的、保持磷酸的电解质层电解质层、与燃料极具有相同构造的与燃料极具有相同构造的空气极空气极构成。构成

9、。 n磷酸燃料电池(简称PAFC)是以酸为导电电解质的酸性燃料电池。被称为继火电、水电、核电之后的第4种发电方式，是目前燃料电池中唯一商业化运行的燃料电池。 磷酸燃料电池的工作原理磷酸燃料电池的工作原理PAEC使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。燃料，氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。 磷酸燃料电池的特点磷酸燃料电池的特点 PAFC的的工作温度工作温度可达可达150200左右左右，需电极上的白金催，需电极上的白金催化剂来加速反应。化剂来加速反应。 PAFC的的效率较低效率

10、较低，约为，约为40%，其加热的时间也比质子交换，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。膜燃料电池长。 PAFC具有具有构造简单、稳定、电解质挥发度低构造简单、稳定、电解质挥发度低等优点。等优点。 PAFC可用作公共汽车的动力。目前，可用作公共汽车的动力。目前，PAEC能成功地用于能成功地用于固固定的应用定的应用，已有许多发电能力为，已有许多发电能力为0.220MW的工作装置被的工作装置被安装在世界各地，为医院、学校和小型电站提供电力。安装在世界各地，为医院、学校和小型电站提供电力。 熔融碳酸盐燃料电池的结构熔融碳酸盐燃料电池的结构 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由是由多孔

11、陶瓷阴极多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电多孔陶瓷电解质解质隔膜、多孔隔膜、多孔金属阳极金属阳极、金属极板金属极板构成的燃料电池。构成的燃料电池。 单体的单体的MCFC一般是平板型的，由电极一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。氧化剂流通道和上下隔板组成。n 单体的上下为隔板/电流采集板，中间部分是电解质板，电解质板的两侧为多孔的阳极极板和阴极极板，其电解质是熔融态碳酸盐。熔融碳酸盐燃料电池的工作原理熔融碳酸盐燃料电池的工作原理燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。式中，a、c分别

12、表示阳极、阴极；e表示电子；E0表示基本发电量；Q0表尔基本放热量。熔融碳酸盐燃料电池的特点熔融碳酸盐燃料电池的特点MCFCMCFC是一种高温电池是一种高温电池(600700)(600700)，具有效率较高，具有效率较高( (高于高于40%)40%)、噪音低、无污染、燃料多样化、噪音低、无污染、燃料多样化( (氢气、煤气、天然气氢气、煤气、天然气和生物燃料等和生物燃料等) )、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是未来的绿色电站。多优点，是未来的绿色电站。 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在属于

13、第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。友好地转化成电能的全固态化学发电装置。1 1固体氧化物燃料电池的结构固体氧化物燃料电池的结构SOFCSOFC单体主要由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体单体主要由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成。或双极板组成。固体电解质是SOFC最核心的部件，主要功能在于传导氧离子。常用的电解质材料是Ni粉弥散在YSZ的金属陶瓷。电极材料本身首先是一种催化剂。 2固体氧化物燃料电池的工作原理固体氧化物燃料电池的工作原

14、理 SOFC工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解质由阴极流向阳极。质由阴极流向阳极。固体氧化物燃料电池的工作原理 固体氧化物燃料电池的特点固体氧化物燃料电池的特点 除具备燃料电池高效、清洁、环境友好的共性外，还具有除具备燃料电池高效、清洁、环境友好的共性外，还具有以下优点：以下优点： (1) SOFC(1) SOFC是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，无需配置电解质管理系统，可实现长寿命运行；无需配置电解质管理系统，可实现长寿命运行； (2) (2) 对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤

15、气和其他碳对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其他碳氢化合物作为燃料；氢化合物作为燃料； (3) SOFC(3) SOFC发电效率高，能量密度大，能量转换效率高；发电效率高，能量密度大，能量转换效率高； (4) (4) 工作温度高，电极反应速度快，不需要使用贵金属作工作温度高，电极反应速度快，不需要使用贵金属作电催化剂；电催化剂；n优点：n可使用高温进行内部燃料重整，使系统优化；n低排放、低噪声；n废热的再利用价值高。n陶瓷电解质要求中、高温运行(6001000)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。n固体氧化物燃料电池的特点固体氧化物燃料电池的特点 缺点缺点： (1) (1) 氧化物电解质材料为陶瓷材料，