燃料电池工作原理、分类及组成

PAFC
PAFC的工作原理
• PAFC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，空气做氧化剂，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℃。PAFC产生的直流电经过直交 变换后以交流电的形式供给用户。
• PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。50-200kW功率的 PAFC可供现场应用，1000kW功率以上的PAFC可应用于区域性电 站。目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于200kW的 PAFC的电站已运行多年，4500kW和11000kW的电站也开始运行。
当采用甲醇水溶液作燃料时，DMFC的核心部件MEA阳 极侧是浸入甲醇水溶液中的，加之在DMFC工作时， 又有C02的析出；而阴极侧，排水量也远大于电化学 反应生成水，不管是气化蒸发以气态排出，还是靠 毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水， 均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。
因此，在制备DMFC的MEA时，与PEMPC的MEA相比，要改 进结构与工艺，增加MEA的电极与膜之间的结合力，防 止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极 化，大幅度降低电池性能，严重时导致电池失效。
• PAFC的主要技术突破是采用炭黑和石墨作电池的结构材料。至 今还未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的电导，而且 在酸性条件下具有高的抗腐蚀能力和低费用。因此可以说，采 用非炭材、制备费用合理的酸性燃料电池是不可能的。
电解质材料
• PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在高温
下具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度在200℃左右。 磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出 导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是42℃， 低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的 固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以 PAFC电池一旦启动，体系温度要始终维持在45℃以上。
因此与PEMFC相比，在DMFC阳极结构与制备工艺优化时，必 须考虑CO2析出这一特殊因素。
2）当采用甲醇水溶液作燃料时，由于阳极室充满了液 态水，DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的 水饱和状态下。
但与PEMFC不同的是，当DMFC工作时不管是电迁 移还是浓差扩散，水均是由阳极侧迁移至阴极侧， 即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC，阴极需排出远 大于电化学反应生成的水。
而 当 以 氢 为 燃 料 时 ， 当 电 池 工 作 电 流 密 度 达 1A/m2 时．阳极极化也仅几十毫伏；
2）燃料甲醇通过浓差扩散和电迁移由膜的阳极侧 迁移至阴极侧(甲醇渗透，Crossover)，在阴极电 位与Pt/C或Pt电催化剂作用下发生电化学氧化，并 与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合 电位。
甲醇经膜的这一渗透，不但导致氧电极产生混合电 位，降低DMFC的开路电压，而且增加氧阴极极化和 降低电池的电流效率。
不同浓度下和负荷条件下 甲醇渗透的变化
DMFC与PEMFC不同点
1）由甲醇阳极氧化电化学方程可知，当甲醇阳极氧化时，不但 产生H+与电子，而且还产生气体CO2，因此尽管反应物CH30H与 H20均为液体，仍要求电极具有憎水孔。而且由水电解工业经验 可知，对析气电极，尤其是采用多孔气体扩散电极这类立体电极 时，电极构成材料(Pt/C电催化剂)极易在析出的反应气作用下导 致脱落、损失，进而影响电池寿命。
阴极 总反应
3 2
O2
6H
6e
3H 2 O
源自文库
3 CH3OH 2 O2 CO2 2H2O
甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂，在完成6个 电子转移的过程中，会生成众多稳定或不稳定的中间物， 有的中间物会成为电催化剂的毒物，导致催化剂中毒， 从而降低电催化剂的电催化活性。
甲醇氧化的可能步骤
因此，DMFC开发过程中，甲醇直接氧化电催化剂的研发、 反应机理等一直是研究热点，也是DMFC发展的关键之一。
根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同，可将DMFC分 为两类：以气态甲醇和水蒸汽为燃料和以甲醇水溶液为燃 料。
1）以气态甲醇和水蒸汽为燃料
由于在常压下水的饱和温度为1000C，所以这种DMFC 工作温度要高于1000C。
目前交换膜的质子传导性都与液态水含量有关，因此， 当电池工作温度超过1000C时，反应气的工作压力要高 于大气压，这样电池系统就会变得很复杂。
因此与PEMFC相比，DMFC阴极侧不但排水负荷增 大，而且阴极被水掩的情况更严重，在设计DMFC 阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。
正因为如此，在至今评价DMFC时，阴极氧化剂(如 空气中氧)的利用率均很低，其目的是增加阴极流 场内氧化剂的流动线速度，以利于向催化层的传质 和水的排出，但这势必增加DMFC电池系统的内耗， 这是研究高效大功率DMFC电池系统时必须解决的 技术问题。
燃料电池工作原理、分类 及组成
一、燃料电池工作原理 二、质子交换膜燃料电池 三、直接甲醇燃料电池 四、碱性燃料电池 五、磷酸燃料电池
各种燃料电池工作原理图
PEMFC
阳极 H 2 2H 2e
阴极
1 2
O2
2H
2e
H2O
总反应
1 H2 2 O2 H2O
DMFC
阳极
CH 3OH H2O CO 2 6H 6e
至今尚没有开发出能够在150-2000C下稳定工作，且不需 液态水存在的交换膜。
因此，这种DMFC目前研究的很少。
2）以甲醇水溶液为燃料
采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料的液体DMFC，在室温 及100 oC之间可以在常压下运行。当电池工作温度超过 100 oC时，为防止水汽化而导致膜失水，也要对系统加 压。
以甲醇水溶液为燃料的DMFC是目前研发的重点。
DMFC单位面积的输出功率紧为PEMFC的1/10-l/5， 其原因主要有下述两个方面：
1）甲醉阳极电化学氧化历程中生成类CO的中间物， 导致Pt电催化剂中毒，严重降低了甲醇的电化学氧 化速度（比氢气氧化的速度要低得多），增加阳极 极化达百毫伏数量级。