燃料电池种类工作原理及结构

1、 /6 / 6燃料电池燃料电池(FUelCe I I )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，像一个蓄电 池，但实质上它不能“储电而是一个发电厂”。燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的萍膜所构成氢气由阳 极进入供给燃料，氧气(或空气)由阴极进入电池.电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子(PrOtOn)与电子(e Iectron),其中质子进入 电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作 用下，

2、氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯 一的排放物.利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种”发电机。 阳极反应-*阴极反应肌2HJ +2e总反应 2H+2w +丄C THQ2 r j伴随着电池反锂2%/舗丽盈血金。只要保持氢乞和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 燃料电池的分类1按燃料电池的运行机理分根据燃料电池的运行机理的不同，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) 和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC) 02按电解质种类分根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体

3、电解质的燃料电池。 即碱性燃料电池(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(P EMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料 电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用 的要 求，更加具有竞争力。3按燃料类型分燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料 和汽油、柴油以及天 然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。 根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料

4、电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。4按工作温度分根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200(;中温型，温度为 200-750 C;高温型，温度高于750Co质子交换膜燃料电池(PEMFC)燃料电池的类型緘性燃料电池(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(S0FC)质子交换膜燃料电 池(PEMFC)比功率(W/kg)35 105100 22030-401520300_ Ia)0单位面积的功率(W / cm)0.50. 10.20.31-2燃料电极的燃料种类%天然气、甲醉液化 石油气天然气、液化石油气H2、 CO、 HCH2氣电极的氧

5、化物种类0：空气空代空代空气电解质有腐蚀、液体氢戦化钾有腐蚀、液体磷酸 水溶液有腐蚀、液体碳酸 锂/三酸钾无腐蚀氣化钳系陶瓷系无廊蚀、固体稳定 氣化偌系发电效率()456035 60456050 60启动时间几分种2 4hml hMloh几分钟电荷载体OH-H*Cof0-反应温度(七)5028180220600 700750 IOoO25 105应用悄况参考在常温下可应用于宇宙飞船人正常工作，这类如应用广泛发展迅速A料电池需要采用f有可能用于大型发 电厂亍金属作为催化剂,有可能用于大型发电厂燃料的化学能绝发展迅速可用于FCEV大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧

6、化物熔融碳酸 盐燃料电池(M CFC)和固体氧化物燃料电池(S 0FC)在高温下作，这类燃料电池不需要釆 用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积 大。1碱性染料电池010-8减性燃料电池的驱(Ainvr质和碱性燃料电池是该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。阳极反应：2H2+ 4OH4 H20+4e-阴极反应：02 + 2H20 + 4 e 40H-总反应： 02+2H2 f2H20碱性燃料电池的工作温度大约80Co因此，它们的启 动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的 密度低十来倍.在汽车中使用显得相当笨拙

7、。不过，它们是燃料电池中生产成本灵低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。如同质 子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常阳极磷酸阴极图9-10磷酸燃料电池结构和工作原理阳极反应：H2+2e- *2H+水板离孑膜 阳极 阴极 双极板.丨 0 /铭感此外，其原料不能含有一氧化破，因为氣化碳能 与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池 的性能。2o磷酸燃料电池(PAFC)PAFC釆用重整天然气作燃料，空气作氧化剂，浸有 浓磷酸的SiC微孔膜作电解质，Pt/C作催化剂，工作 温度200C磷酸燃料电池(PhOSP hor i C ACid FUel Cell, P

8、AFC)是以浓磷酸为电解质以贵金属催化的气体扩散 电极为正.负电极的中温型燃料电池。可 以在15022 0 C工作。具有电解质稳定.磷酸可浓缩.水蒸气压低和 阳极催化剂不易被Co建化等优点，是一种接近商品化 的民用燃料电池。阴极反应：1 /202+ 2 H+ -H20+2e-总反应：1/202 +H2 - H20PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。由多节单电池按压滤机方式组装构成电池组.PAFC的工作温度一般为200 C左右，能董转化率约在40%,为保证电池工作稳定，必须连续地排除废热.HQ3熔融碳酸燃料电池(MCFC)工作温度可达650C0这种电池的效率很高，但材料需 求的要求也商。

9、溶化的破酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用 溶化的锂钾碳酸盐就是使 用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650 C 时，这种盐就会溶化.产生破酸根离子，从阴极 流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子.电 子然后通过外部回路返回到阴 极，在这过程中发 电。阳极反应：C032- + H2 - H20 + CO2 + 2e 阴极反应：C02 + 1 / 2 02 + 2e-C032电池反应：02 2H2 -2H20四大优彷： 在工作温厦下,MCFC可以进行内部重整 燃料，图6-1 MaHj的工作原理彳一 *阴檢厶口1 JI 4 * ! C W 例如在阳 极反应室进行甲烷的重

10、反应，重整反应 到所需热量由电池反应的余热提供；MCFC的工作温度为650700 C,其余热 可用 来压缩反应气体以提离电池性能，可以用于供暖；燃料重整时产生的C0可以作为MCFC的燃料，且由于MCFC为离温燃料电池，不会受到Co的中毒催化剂的威胁；催化剂为線合金，不使用贵金属。图62 MCFC的结构4质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜燃料电池PEMFC是一种燃料电池，在原理上 相当于水电解的“逆装置。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 为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应 的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一 直流电源，其阳

11、极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为：阳极反应：H2-2H+2e-阴极反应J/ 202三2H+2e- -H20电池反应：H2+1 / 202 H20PEMFC的电极常被称为膜电极组件，它是指质子交换膜 和其两侧各一片多孔气体扩散电极（涂有催化剂的多孔 碳布）纽成的阴.阳极和电解质的复合体.与AFC、PAFC 相比,PEMFC保持电极与 膜的良好接触要困难得多。PEMFC的膜为高分子聚合物，仅靠电池组装力不能使电 极与离子交换膜之间有良好的接触，同时质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。于是必须制备电极一膜- 电极的三合一组件。具体做法是将全鼠磺酸树脂玻璃 化温度下施加一定压力，舟

12、以加入全氛磺酸树脂的氢电 极（阳极）、隔膜（全鼠磺酸型质子U f极扳询扩/层：催剂：层质F交極益件交换用极）J1PlateH2r=r=0,也H.06O2A9=J o,阳极电解质阴极5固体氧燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOI id OXide FUelCell,简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中鬲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裟置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC) 一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。釆用的是固态电解质(钻石氧化物)，性能很好。他们需要釆用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000 C.固态氧化扬燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，它们使用诸如用氧化亿稳定的氧化错等固态陶进电解质，而不用使用