燃料電池工作原理論文

燃料電池工作原理姓名某某大學(xué)某某學(xué)院摘要：人類社會發(fā)展至今，絕大部分的能量轉(zhuǎn)化均是通過熱機過程來實現(xiàn)的。熱機過程受卡諾循環(huán)的限制，不但轉(zhuǎn)化效率低，造成能源的浪費，而且產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮氧化合物和硫氧化物等有害物質(zhì)以及噪聲。燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，等溫地按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。能量轉(zhuǎn)化效率高（40%~60%）,環(huán)境友好，正由于這種突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受世界關(guān)注，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。關(guān)鍵字：堿性燃料電池；磷酸型燃料電池；質(zhì)子交換膜型燃料電池；直接醇類燃料電池；固體氧化物燃料電池能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的動力，也是衡量綜合國力、國家文明發(fā)達程度和人民生活水平的重要指標。人類社會發(fā)展至今，絕大部分的能量轉(zhuǎn)化均是通過熱機過程來實現(xiàn)的。熱機過程受卡諾循環(huán)的限制，不但轉(zhuǎn)化效率低，造成能源的浪費，而且產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮氧化合物和硫氧化物等有害物質(zhì)以及噪聲。燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，等溫地按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。能量轉(zhuǎn)化效率高（40%~60%）,環(huán)境友好，正由于這種突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受世界關(guān)注，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。1原理概述燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置。它按電化學(xué)原理，即原電池的工作原理，等溫的把貯存

在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。對于一個氧化還原反應(yīng)，如：代表還原劑，P代表反應(yīng)產(chǎn)物。把它分【O】+【R】tP式中，【0】代表氧化劑，【R】成兩個半反應(yīng)：【R】【0】+e-P%體擴畋施摘t員極）【R】++e+【R】++燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外部的貯罐中。由于燃料電池工作是要連續(xù)不斷的向電池送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃代表還原劑，P代表反應(yīng)產(chǎn)物。把它分【0】+e-P%體擴畋施摘t員極）【R】++e+【R】++堿性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水。它以強堿（如氫氧化鈉、氫氧化鉀）為電解質(zhì)，氫為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑，采用對氧電化學(xué)還原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等為電

催化劑制備多孔氣體擴散電極為氧電極，以Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化鎳等具有良好催化氫電化學(xué)氧化的電催化劑制備的多孔氣體電極為氫電極。以無孔碳板、鎳板或鍍鎳甚至鍍銀、鍍金的各種金屬(如鋁、鎂、鐵等)板為雙級板材料，在板面上可加工各種形狀的氣體流動通道構(gòu)成雙極板。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：H2+2OH-2H2O+2e-電子通過外電路到達陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)：1/2O2+H2O+2e—2OH-生成的OH-通過飽浸堿液的多孔石棉膜遷移到氫電極。為保持電池連續(xù)工作，除需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應(yīng)氫氣氧氣外，還需連續(xù)、等速的從陽極排出電池反應(yīng)生成的水，以維持電解液堿濃度的恒定；排出電池反應(yīng)的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。2.2磷酸型燃料電池磷酸燃料電池(phosphoricacidfuelcell,PAFC)是當前商業(yè)化發(fā)展的最快的一種燃料電池,以成為燃料電池的發(fā)展方向。這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，采用廉價的碳材料為骨架。還可直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與堿性燃料電池相比，最大的優(yōu)點是它不需要二氧化碳處理設(shè)備。這種電池使電解質(zhì)通常位于碳化硅基質(zhì)中，由于酸的陰離子特殊吸附等原因，導(dǎo)致氧的電化學(xué)還原速度比堿性電池中慢得多。為提高反應(yīng)速度，不但必須采用貴金屬如鉑做電催化劑，而且反應(yīng)溫度也需提高，位于150-200對。較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強，當其反應(yīng)物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。

陽極反應(yīng)：H2+2H2Ot2H3O++2e-陰極反應(yīng)：O2+4H3O++4e—6H2O2.3質(zhì)子交換膜燃料電池總反應(yīng)：02+2H2t2H2O2.3質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜型燃料電池(protonexchangemembranefulecell,PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉑炭或鉑釘為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。PEMFC中的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生如下反應(yīng)：H2t2H++2e-該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子境外電路到陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極上發(fā)生反應(yīng)生成水：1202+2H++2e-H2O生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。質(zhì)子交換膜型燃料電池除具有燃料電池一般特點(如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等)之外，還具有室溫快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出優(yōu)點。他不僅可以用于建設(shè)分散電站，也特別適宜用于可移動動力源，是電動車和不依靠空氣推進潛艇的理想候選電源之一，是軍、民通用的一種新型電源，也是利用氯堿廠副產(chǎn)物氫氣發(fā)電的最佳候選能源。2.4直接醇類燃料電池氫能源的供應(yīng)設(shè)施，貯存與運輸技術(shù)發(fā)展遠落后于需要，因此在二十世紀末，以醇類直接為燃料的燃料電池，尤其是以甲醇為燃料的電池(directmethanolfulecell,DMFC)成為研究熱點。陰極為氧的電化學(xué)還原：32+6H++6e-3H2O陽極為甲醇的電化學(xué)氧化：CH3OH+H2OtCO2個+6H++6e-總反應(yīng)為甲醇的完全氧化：CH3OH+32O2tCO2個+2H2O有甲醇陽極電化學(xué)氧化方程式可知，該反應(yīng)機理相當復(fù)雜，在完成六個電子轉(zhuǎn)移的過程中，會生成眾多穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的中間物；有的中間物會成為催化劑的毒物，導(dǎo)致催化劑中毒，嚴重降低催化劑活性。因此催化劑的研究開發(fā)、反應(yīng)機理等研究至今仍是熱點。由CH3OH陽極電化學(xué)氧化方程可知，每消耗一摩爾甲醇，同時也消耗一摩爾水。依據(jù)水與甲醇的陽極進料方式不同，DMFC可分為兩類。(1)以氣態(tài)甲醇和水蒸氣為燃料(2)采用不同濃度的甲醇水溶液為燃料兩種方法各有利弊，也都還在研究中。2.5固體氧化物燃料電池WWW)Oz-+H2->HWWW)Oz-+H2->H2O+2e-O2-+CO-^CO2+2e-(3n+1)O2+CnH2n+2^nCO2+(n+1)H2O+(6n+2)eSchematicoftheworkingprincipleofasolidoxidefuelcellCathodeElectrolyteAnode固體氧化物燃料電池（SOFC）通常采用的結(jié)構(gòu)類型有管型和平板型兩種。管型電池組由一端封閉的管狀單電池以串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。每個單電池從內(nèi)到外由多孔支撐管、空氣極板、固體電解質(zhì)薄膜和金屬陶瓷陽極組成。管型固體燃料電池一般在很高溫度下進行操作，主要固定電站系統(tǒng)；缺點是電流通過電池的路徑較長，限制了性能。平板型固體燃料電池的空氣電極/YSZ固體電解質(zhì)/燃料電極燒結(jié)成一體，組成“三合一”結(jié)構(gòu)。PEN與雙極板之間通常采用高溫無機粘合材料密封，以有效的隔離燃料和氧化劑。平板式的優(yōu)點是制備工藝簡單，造價低。由于電流收集均勻，電流路徑短，輸出功率密度也比較高。但缺點是密封困難、抗熱循環(huán)性能差及難以組裝成大功率電池組。燃料電池的發(fā)電原理都可以簡單概括為氧化還原反應(yīng)，而原理為燃料電池系統(tǒng)的操作與應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。二十一世紀，能源緊缺，燃料電池的高效環(huán)保更成為了發(fā)展的必然選擇，對施行可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。燃料電池是新一代的零排放、清潔能源動力系統(tǒng)，該技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)多，而且都是關(guān)