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、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?？諝夥謩e送進(jìn)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，像一個它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池蓄電池，但實質(zhì)上它不能但實質(zhì)上它不能“儲電儲電”而是一個而是一個“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堿性燃料電池的特點(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，啟動很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換，啟動很快，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，且是選擇通過性膜，只允許H+穿過，其他粒子、氣體及液體不能通過。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。雙極板又稱雙極板與流場。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，將各個單電池串聯(lián)收集電流，將各個單電池串聯(lián)起來和通過流場為反應(yīng)氣體進(jìn)起來和通過流場為反應(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。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜裝置。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)子交換場所，

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質(zhì)子交換膜燃料電池的特點優(yōu)點：優(yōu)點：(1) (1) 能量轉(zhuǎn)化效率高。能量轉(zhuǎn)化效率高。(2) (2) 可實現(xiàn)零排放。可實現(xiàn)零排放。(3) (3) 運行噪聲低，可靠性高。運行噪聲低，可靠性高。 僅有氣體和水流動。僅有氣體和水流動。(4) (4) 維護(hù)方便。維護(hù)方便。 內(nèi)部構(gòu)造簡單，電池模塊呈現(xiàn)自然的內(nèi)部構(gòu)造簡單，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，也很容易實現(xiàn)使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便，也很容易實現(xiàn)“免維護(hù)免維護(hù)”設(shè)計。設(shè)計。(5) (5) 發(fā)電效率平穩(wěn)。

7、發(fā)電效率平穩(wěn)。(6) (6) 氫來源廣泛。氫來源廣泛。 (7) (7) 技術(shù)成熟。氫氣的生產(chǎn)、儲存、運輸和使用等技術(shù)目前均已非常技術(shù)成熟。氫氣的生產(chǎn)、儲存、運輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。成熟、安全、可靠。 缺點：缺點： (1) (1) 成本高。成本高。 因為膜材料和催化劑均十分昂貴。因為膜材料和催化劑均十分昂貴。 (2) (2) 對氫的純度要求高。對氫的純度要求高。 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，啟動速度較快，功率密度較高工作溫度低，啟動速度較快，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力。，所以很

8、適于用作新一代交通工具動力。 從目前發(fā)展情況看，從目前發(fā)展情況看，PEMFCPEMFC是技術(shù)最成熟的電動車動力源，是技術(shù)最成熟的電動車動力源，PEMFCPEMFC電動汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動汽車的未來發(fā)展方向電動汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動汽車的未來發(fā)展方向。燃料電池將會成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動力系燃料電池將會成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動力系統(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，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。燃料，氧氣為氧化劑時，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。 磷酸燃料電池的特點磷酸燃料電池的特點 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加速反應(yīng)?；瘎﹣砑铀俜磻?yīng)。 PAFC的的效率較低效率

10、較低，約為，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。膜燃料電池長。 PAFC具有具有構(gòu)造簡單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低構(gòu)造簡單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等優(yōu)點。等優(yōu)點。 PAFC可用作公共汽車的動力。目前，可用作公共汽車的動力。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、多孔金屬陽極金屬陽極、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程實質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的還原過程。燃料電池工作過程實質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的還原過程。式中，a、c分別

12、表示陽極、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熔融碳酸鹽燃料電池的特點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、無污染、燃料多樣化、噪音低、無污染、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) )、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是未來的綠色電站。多優(yōu)點，是未來的綠色電站。 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，電子由陽極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解工作時，電子由陽極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解質(zhì)由陰極流向陽極。質(zhì)由陰極流向陽極。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固體氧化物燃料電池的特點 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：以下優(yōu)點： (1) SOFC(1) SOFC是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問題，是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問題，無需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)長壽命運行；無需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)長壽命運行； (2) (2) 對燃料的適應(yīng)性強，可直接用天然氣、煤

15、氣和其他碳對燃料的適應(yīng)性強，可直接用天然氣、煤氣和其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂希粴浠衔镒鳛槿剂希?(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：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廢熱的再利用價值高。n陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(6001000)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。n固體氧化物燃料電池的特點固體氧化物燃料電池的特點 缺點缺點： (1) (1) 氧化物電解質(zhì)材料為陶瓷材料，