鉅大LARGE | 點擊量：8080次 | 2018年09月13日
燃料電池的原理及意義有哪些
燃料電池的工作原理：燃料電池是一種化學電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。
燃料電池原理如下：
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(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)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(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。
意義：
①氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛并且是可再生資源，所以用氫氣作為“燃料”似乎最合適不過。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
②由于燃料電池是化學能直接轉(zhuǎn)換為電能，相比內(nèi)燃機的燃燒作用不會產(chǎn)生大量廢氣與廢熱，轉(zhuǎn)化效率更可超過50%（內(nèi)燃機轉(zhuǎn)化效率為10%），排放物也只有水，也不會對環(huán)境溫度造成影響。
③使用壽命長于電化學電池并且電池維護工作量很小。
④相比于純電動車的充電時間來說，燃料電池加注氫氣的時間很短，幾乎與內(nèi)燃機汽車添加燃油時間相當，大約在3-5分鐘左右。燃料電池是一種電化學的發(fā)電裝置。它不同于常規(guī)意義上的電池。其主要原理是：燃料電池等溫地按電化學方式直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能。它不經(jīng)過熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高（40－60％）；幾乎不產(chǎn)生NOx和SOx的排放。而且，CO2的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠減少40％以上。正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)倍受各國政府與大公司的重視，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)它工作時氧化劑和還原劑可以不斷從外界輸入,同時將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池,把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,具有能量轉(zhuǎn)化率高,可持續(xù)使用的優(yōu)點氫氧燃料電池:負:H2-2e-=2H+正:O2+4H++4e-=2H2O全反應(yīng):2H2+O2=2H2O直接甲醇燃料電池(DMFC)反應(yīng)式:負：CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+正：3/2O2+6H++6e=3H2O全反應(yīng)：CH3OH+3/2O2=CO2+2H2O鋁-空氣-水負:4Al-12e-=4Al3+正:3O2+6H2O+12e-=12OH-全反應(yīng):4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3、
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學反應(yīng)把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;另外，燃料電池用燃料和氧氣作為同時沒有機械傳動部件，故沒有噪原料，排放出的有害氣體極少;聲污染。由此可見，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。[1]
將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經(jīng)濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機組安靜。另外電化學反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動力裝置。[2]
燃料電池是一種電化學的發(fā)電裝置,等溫的按電化學方式,直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過熱機過程,不受卡諾循環(huán)限制,因而能量轉(zhuǎn)化效率高,且無噪音,無污染,正在成為理想的能源利用方式。同時,隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟,以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源,燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。[3]
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置,它是按電化學原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下,通過電解質(zhì)遷移到陽極上,與燃料氣反應(yīng),構(gòu)成回路,產(chǎn)生電流。同時,由于本身的電化學反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻,燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當燃料為碳氫化合物時,陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu),以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。[3]
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(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)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(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)原理這個反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為：負極：H2+2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應(yīng)：H2+1/2O2==H2O
另外，只有燃料電池本體還不能工作，
燃料電池
燃料電池
必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)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(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)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(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)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(yīng)，H2所具有的化學能轉(zhuǎn)變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)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(yīng)面積成比。
PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)嚴格地加以限制。
磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)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(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)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(yīng)用，而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點。
MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（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(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體，氣室的形成采用抗蝕金屬。
MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2與電相結(jié)合，生成CO32-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO32-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+相結(jié)合，放出e-，同時生成H2O和CO2?；瘜W反應(yīng)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(yīng)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(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應(yīng)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(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)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(yīng)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(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)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(fù)合多孔體構(gòu)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(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)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(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)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(jīng)電解質(zhì)而移動，與O2-反應(yīng)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(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)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。
