燃料电池种类工作原理及结构

1、燃料电池,* 车辆0902 *,燃料电池的概述,燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化学装置。 燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery）完全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电，因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质一旦消耗完，电池的寿命就终止。,燃料电池的组成,燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及控制系统等几个子系统组成。,燃料电池工作原理,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薄膜所构成。氢气由

2、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（electron），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，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。,燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。,图103 燃料电池的基本单元,燃料电池的分类,一、燃料电池的分类 1

3、、按燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 2.1碱性燃料电池（AFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC） 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC） 3. 按燃料类型分。 3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池,燃料电池的种类,碱性燃料电池（AFC）（alkaline fuel cell) 磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid fuel cell) 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) (

4、molten carbonate fuel cell) 质子交换膜燃料电池(PEMFC) (proton exchange membrane fuel cell) 固体氧化物燃料电池(SOFC) (solid oxide fuel cell),2.1碱性燃料电池（AFC）,2.1.1 碱性染料电池简介 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。 工作原理 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，阳极反应：2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e-阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- 4OH-总反应：O2+2H2 2H2O 碱性燃料电池的工作

5、温度大约80。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。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，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敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧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。,阳极反应： 2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e-阴极反应： O2 + 2H2O + 4 e- 4OH-总反应： O2+2H2 2H2O,图108 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）,2.2 磷酸燃料电池（PAFC）,PA

6、FC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采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 200 。 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）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150220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毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。,PAFC的工作原理,CH4+2H2O4H2+CO2 CH3OH+H2O 3H2+CO2,阳极： H2

7、2H+2e-,阴极反应： 1/2O2+2H+2e-H2O,阳极反应： H22H+2e- 阴极反应： 1/2O2+2H+2e- H2O 总反应 1/2O2+2H2 H2O,PAFC的结构,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左右 ，能量转化率约在 40%，为保证电池工作稳定，必须连续地排除废热。,2.3熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC),MCFC属高温燃料电池，工作温度是 650 700。与低温燃料电池相比，MCFC的本和效率很有竞争力，概括起来有四大优势： 在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在阳 极反应室进行甲烷的重反应，重整反应到所需热量由电

8、池反应的余热提供； MCFC的工作温度为650700，其余热可用来压缩反应气体以提高电池性能，可以用于供暖； 燃料重整时产生的CO 可以作为MCFC的燃料，且由于MCFC为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威胁； 催化剂为镍合金，不使用贵金属。,MCFC 的工作原理,MCFC的阴极反应： O2+2CO2+4e-2CO32- 阳极反应： 2H2+2CO32- 2CO2+2H2O+4e- 电池反应： O2+2H2 2H2O,MCFC 的工作原理,MCFC的结构,2.4质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.41质子交换膜燃料电池简介 质子交换膜燃料电池(proton exchange memb

9、rane fuel cell，英文简称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，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。,PEMFC的工作原理,阳极反应： H22H+2e- 阴极反应： 1/2O2+2H+2e- H2O 电池反应： H2+1/2O2 H2O,PEMFC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）组成的 阴、阳极和电解质的 复合体。,

10、图1019 膜电极结构示意图,PEMFC的结构,2.5固体氧燃料电池（SOFC） 2.5.1固体氧化物燃料电池简介 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高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装置。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。采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采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。固态氧化物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钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于800-1000之间。 在这种燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳