淺談燃料電池的技術原理

燃料電池是將燃料具有的化學能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2e-


正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-


電池反應：H2+1/2O2==H2O


另外，只有燃料電池本體還不能工作，


必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。


燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。


在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發(fā)生的反應為：


燃料極：H2==2H++2e-（1）


空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）


全體：H2+1/2O2==H2O（3）


在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發(fā)生反應。e-經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經由外部回路，因而就構成了發(fā)電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產生，由此減少了轉換成電能的比例。引起這些反應的一組電池稱為組件，產生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。

PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC應用中必須限制燃料氣體中含有的CO量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。


磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。


相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯合循環(huán)發(fā)電等特點。


MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。


MCFC工作原理?？諝鈽O的O2（空氣）和CO2與電相結合，生成CO32-（碳酸離子），電解質將CO32-移到燃料極側，與作為燃料供給的H+相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2。化學反應式如下：


燃料極：H2+CO32-==H2O+CO2+2e-（4）


空氣極：CO2+1/2O2+2e-==CO32-（5）


全體：H2+1/2O2==H2O（6）


在這一反應中，e-同在PAFC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的特點是，必須要有有助于反應的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內部改質，在電池內部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。


SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構成了O2-的導電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同，電解質之間熱膨脹差造成裂紋產生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下：


燃料極：H2+O2-==H2O+2e-（7）


空氣極：1/2O2+2e-==O2-（8）


全體：H2+1/2O2==H2O（9）


燃料極，H2經電解質而移動，與O2-反應生成H2O和e-?？諝鈽O由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣主成份CH4改質成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。

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