燃料電池的工作原理

1、燃料電池的工作原理研究成員：鄭思宇、趙善姍 張樂(lè)、章宗宇 燃料電池燃料電池(Fuel Cell)(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化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(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)?？諝夥謩e送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電儲(chǔ)電”而是一個(gè)而是一個(gè)“發(fā)電廠發(fā)電廠”。但。但是，它需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)是，它需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)

2、電電。堿性氫氧燃料電池以強(qiáng)堿為電解質(zhì)，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑。在陽(yáng)極，氫氣與堿中的OH-在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子，電子通過(guò)外電路達(dá)到陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)，生成的OH-通過(guò)飽浸堿液的多孔石棉遷移到氫電極。堿性石棉膜型氫氧燃料電池單電池工作原理堿性石棉膜型氫氧燃料電池單電池工作原理 堿性燃料電池的特點(diǎn)堿性燃料電池的特點(diǎn)(1) AFC(1) AFC具有較高的效率具有較高的效率(50%55%)(50%55%)；(2) (2) 工作溫度大約工作溫度大約8080，啟動(dòng)很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換，啟動(dòng)很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜

3、燃料電池的密度低十幾倍；膜燃料電池的密度低十幾倍；(3) (3) 性能可靠，可用非貴金屬作催化劑；性能可靠，可用非貴金屬作催化劑；(4) (4) 是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池；是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池；(5) (5) 是技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛是技術(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(dòng)力和飲用水，用于交通工具，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用機(jī)提供動(dòng)力和飲用水，用于交通工具，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景；前景；(6) (6) 使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性和容易造使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性和容易造成環(huán)境污染。成環(huán)境污染

4、。n1. 質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)1）質(zhì)子交換膜：兼有隔膜和電解質(zhì)的作用，且是選擇通過(guò)性膜，只允許H+穿過(guò)，其他粒子、氣體及液體不能通過(guò)。2）電催化劑：氣體擴(kuò)散電極上都有一定量的催化劑，有鉑系和非鉑系兩類。n 3）電極：多孔擴(kuò)散電極，由擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成。擴(kuò)散層：導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，起著支撐催化層，收集電流，并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道、氣體通道和排水通道的作用。催化層：進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)催化層：進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，是電極的核心部分，其內(nèi)域，是電極的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙多孔，因而有足夠部結(jié)構(gòu)粗糙多孔，因而有足夠的表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣的的表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)

5、反應(yīng)。(4)(4)雙極板與流場(chǎng)。雙極板又稱雙極板與流場(chǎng)。雙極板又稱集流板，作用是分隔反應(yīng)氣體，集流板，作用是分隔反應(yīng)氣體，收集電流，將各個(gè)單電池串聯(lián)收集電流，將各個(gè)單電池串聯(lián)起來(lái)和通過(guò)流場(chǎng)為反應(yīng)氣體進(jìn)起來(lái)和通過(guò)流場(chǎng)為反應(yīng)氣體進(jìn)入電極及水的排出提供通道。入電極及水的排出提供通道。 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理 水電解的水電解的“逆逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換場(chǎng)所，

6、兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。膜為電解質(zhì)。質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1) (1) 能量轉(zhuǎn)化效率高。能量轉(zhuǎn)化效率高。(2) (2) 可實(shí)現(xiàn)零排放?？蓪?shí)現(xiàn)零排放。(3) (3) 運(yùn)行噪聲低，可靠性高。運(yùn)行噪聲低，可靠性高。 僅有氣體和水流動(dòng)。僅有氣體和水流動(dòng)。(4) (4) 維護(hù)方便。維護(hù)方便。 內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，電池模塊呈現(xiàn)自然的內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，電池模塊呈現(xiàn)自然的“積木化積木化”結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便，也很容易實(shí)現(xiàn)使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便，也很容易實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)免維護(hù)”設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)。(5) (5) 發(fā)電效率平穩(wěn)。

7、發(fā)電效率平穩(wěn)。(6) (6) 氫來(lái)源廣泛。氫來(lái)源廣泛。 (7) (7) 技術(shù)成熟。氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常技術(shù)成熟。氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。成熟、安全、可靠。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1) (1) 成本高。成本高。 因?yàn)槟げ牧虾痛呋瘎┚职嘿F。因?yàn)槟げ牧虾痛呋瘎┚职嘿F。 (2) (2) 對(duì)氫的純度要求高。對(duì)氫的純度要求高。 這種電池需要純凈的氫。這種電池需要純凈的氫。 PEMFCPEMFC工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高( (體積體積較小較小) )，所以很適于用作新一代交通工具動(dòng)力。，所以很

8、適于用作新一代交通工具動(dòng)力。 從目前發(fā)展情況看，從目前發(fā)展情況看，PEMFCPEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFCPEMFC電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來(lái)發(fā)展方向電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來(lái)發(fā)展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。統(tǒng)。 磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu) PAFC的電池片由基材及肋的電池片由基材及肋條板觸媒層所組成的條板觸媒層所組成的燃料燃料極極、保持磷酸的、保持磷酸的電解質(zhì)層電解質(zhì)層、與燃料極具有相同構(gòu)造的與燃料極具有相同構(gòu)造的空氣極空氣極構(gòu)成。構(gòu)成

9、。 n磷酸燃料電池(簡(jiǎn)稱PAFC)是以酸為導(dǎo)電電解質(zhì)的酸性燃料電池。被稱為繼火電、水電、核電之后的第4種發(fā)電方式，是目前燃料電池中唯一商業(yè)化運(yùn)行的燃料電池。 磷酸燃料電池的工作原理磷酸燃料電池的工作原理PAEC使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。當(dāng)以氫氣為使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。 磷酸燃料電池的特點(diǎn)磷酸燃料電池的特點(diǎn) PAFC的的工作溫度工作溫度可達(dá)可達(dá)150200左右左右，需電極上的白金催，需電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)?；瘎﹣?lái)加速反應(yīng)。 PAFC的的效率較低效率

10、較低，約為，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)。膜燃料電池長(zhǎng)。 PAFC具有具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 PAFC可用作公共汽車的動(dòng)力。目前，可用作公共汽車的動(dòng)力。目前，PAEC能成功地用于能成功地用于固固定的應(yīng)用定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為，已有許多發(fā)電能力為0.220MW的工作裝置被的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院、學(xué)校和小型電站提供電力。安裝在世界各地，為醫(yī)院、學(xué)校和小型電站提供電力。 熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu) 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由是由多孔

11、陶瓷陰極多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電多孔陶瓷電解質(zhì)解質(zhì)隔膜、多孔隔膜、多孔金屬陽(yáng)極金屬陽(yáng)極、金屬極板金屬極板構(gòu)成的燃料電池。構(gòu)成的燃料電池。 單體的單體的MCFC一般是平板型的，由電極一般是平板型的，由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。氧化劑流通道和上下隔板組成。n 單體的上下為隔板/電流采集板，中間部分是電解質(zhì)板，電解質(zhì)板的兩側(cè)為多孔的陽(yáng)極極板和陰極極板，其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理燃料電池工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的還原過(guò)程。燃料電池工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的還原過(guò)程。式中，a、c分別

12、表示陽(yáng)極、陰極；e表示電子；E0表示基本發(fā)電量；Q0表爾基本放熱量。熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)MCFCMCFC是一種高溫電池是一種高溫電池(600700)(600700)，具有效率較高，具有效率較高( (高于高于40%)40%)、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化( (氫氣、煤氣、天然氣氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等和生物燃料等) )、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)的綠色電站。多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)的綠色電站。 固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(SOFC)(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在屬于

13、第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境中高溫下直接將儲(chǔ)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。友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。1 1固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)SOFCSOFC單體主要由電解質(zhì)、陽(yáng)極或燃料極、陰極或空氣極和連接體單體主要由電解質(zhì)、陽(yáng)極或燃料極、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成?；螂p極板組成。固體電解質(zhì)是SOFC最核心的部件，主要功能在于傳導(dǎo)氧離子。常用的電解質(zhì)材料是Ni粉彌散在YSZ的金屬陶瓷。電極材料本身首先是一種催化劑。 2固體氧化物燃料電池的工作原理固體氧化物燃料電池的工作原

14、理 SOFC工作時(shí)，電子由陽(yáng)極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解工作時(shí)，電子由陽(yáng)極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解質(zhì)由陰極流向陽(yáng)極。質(zhì)由陰極流向陽(yáng)極。固體氧化物燃料電池的工作原理 固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)固體氧化物燃料電池的特點(diǎn) 除具備燃料電池高效、清潔、環(huán)境友好的共性外，還具有除具備燃料電池高效、清潔、環(huán)境友好的共性外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：以下優(yōu)點(diǎn)： (1) SOFC(1) SOFC是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問(wèn)題，是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問(wèn)題，無(wú)需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行；無(wú)需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行； (2) (2) 對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，可直接用天然氣、煤

15、氣和其他碳對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，可直接用天然氣、煤氣和其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?；氫化合物作為燃料?(3) SOFC(3) SOFC發(fā)電效率高，能量密度大，能量轉(zhuǎn)換效率高；發(fā)電效率高，能量密度大，能量轉(zhuǎn)換效率高； (4) (4) 工作溫度高，電極反應(yīng)速度快，不需要使用貴金屬作工作溫度高，電極反應(yīng)速度快，不需要使用貴金屬作電催化劑；電催化劑；n優(yōu)點(diǎn)：n可使用高溫進(jìn)行內(nèi)部燃料重整，使系統(tǒng)優(yōu)化；n低排放、低噪聲；n廢熱的再利用價(jià)值高。n陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(6001000)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。n固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)固體氧化物燃料電池的特點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： (1) (1) 氧化物電解質(zhì)材料為陶瓷材料，