燃料电池的工作原理

• 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 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 膜为电解质。
• 质子交换膜燃料电池的特点 • 优点：
• (1) 能量转化效率高。 • (2) 可实现零排放。 • (3) 运行噪声低，可靠性高。 仅有气体和水流动。 • (4) 维护方便。 内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，
• 碱性燃料电池的特点
• (1) AFC具有较高的效率(50%~55%)；
• (2) 工作温度大约80℃，启动很快，但其电力密度却比质子交换 膜燃料电池的密度低十几倍；
• (3) 性能可靠，可用非贵金属作催化剂；
• (4) 是燃料电池中生产成本最低的一种电池；
• (5) 是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，用于交通工具，具有一定的发展和应用 前景；

扩散层：导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层，收集电流， 并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。
催化层：进行电化学反应的区 域，是电极的核心部分，其内 部结构粗糙多孔，因而有足够 的表面积以促进氢气和氧气的 电化学反应。
(4)双极板与流场。双极板又称 集流板，作用是分隔反应气体， 收集电流，将各个单电池串联 起来和通过流场为反应气体进 入电极及水的排出提供通道。
•熔融碳酸盐燃料电池的工作原理 •燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。
式中，a、c分别表示阳极、 阴极； e—表示电子； E0—表示基本发电量； Q0—表尔基本放热量。
•熔融碳酸盐燃料电池的特点
•MCFC是一种高温电池(600~700℃)，具有效率较高(高于 40%)、噪音低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气 和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多 优点，是未来的绿色电站。
• 磷酸燃料电池的结构 • PAFC的电池片由基材及肋
条板触媒层所组成的燃料 极、保持磷酸的电解质层、 与燃料极具有相同构造的 空气极构成。
• 磷酸燃料电池的工作原理
• PAEC使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为 燃料，氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。
• 磷酸燃料电池的特点
使得电池组的组装和维护都非常方便，也很容易实现“免维护”设计。 • (5) 发电效率平稳。 • (6) 氢来源广泛。 • (7) 技术成熟。氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常
成熟、安全、可靠。
• 缺点： • (1) 成本高。 因为膜材料和催化剂均十分昂贵。 • (2) 对氢的纯度要求高。 这种电池需要纯净的氢。
燃料电池的工作原理
研究成员：郑思宇、赵善姗 张乐、章宗宇
• 燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化 剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和 空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。 它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池， 但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但 是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发 电。
• (6) 使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造 成环境污染。
1. 质子交换膜燃料电池的基本结构
1）质子交换膜：兼有隔膜和电解质的作用，且是选择 通过性膜，只允许H+穿过，其他粒子、气体及液体不 能通过。 2）电催化剂：气体扩散电极上都有一定量的催化剂， 有铂系和非铂系两类。
3）电极：多孔扩散电极，由扩散层和催化层构成。
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碱性氢氧燃料电池
• 以强碱为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。 • 在阳极，氢气与碱中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通
过外电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的OH-通过饱 浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。
碱性石棉膜型氢氧燃料电池单电池工作原理
固定场所
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• PAFC的工作温度可达150~200℃左右，需电极上的白金催 化剂来加速反应。
• PAFC的效率较低，约为40%，其加热的时间也比质子交换 膜燃料电池长。
• PAFC具有构造简单、稳定、电解质挥发度低等优点。 • PAFC可用作公共汽车的动力。目前，PAEC能成功地用于固
定的应用，已有许多发电能力为0.2~20MW的工作装置被 安装在世界各地，为医院、学校和小型电站提供电力。
• 固体氧化物燃料电池(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。
• 1．固体氧化物燃料电池的结构
• SOFC单体主要由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体 或双极板组成。
固体电解质是SOFC最核心的部 件，主要功能在于传导氧离子。 常用的电解质材料是Ni粉弥散 在YSZ的金属陶瓷。
熔融碳酸盐燃料电池的结构
• 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电 解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。
• 单体的MCFC一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、 氧化剂流通道和上下隔板组成。 单体的上下为隔板/电 流采集板，中间部分是电 解质板，电解质板的两侧 为多孔的阳极极板和阴极 极板，其电解质是熔融态 碳酸盐。
池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原， 简化了设备。
固体氧化物燃料电池的特点
• 缺点： • (1) 氧化物电解质材料为陶瓷材料，质脆易裂，电堆组装较
困难； • (2) 高温热应力作用会引起电池龟裂，所以主要部件的热膨
胀率应严格匹配； • (3) 存在自由能损失； • (4) 工作温度高，预热时间较长，不适用于需经常启动的非
电极材料本身首先是一种催化 剂。
• 2．固体氧化物燃料电池的工作原理
• SOFC工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解 质由阴极流向阳极。
固体氧化物燃料电池的工作原理
• 固体氧化物燃料电池的特点 • 除具备燃料电池高效、清洁、环境友好的共性外，还具有
以下优点：
• (1) SOFC是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题， 无需配置电解质管理系统，可实现长寿命运行；
• (2) 对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其他碳 氢化合物作为燃料；
• (3) SOFC发电效率高，能量密度大，能量转换效率高； • (4) 工作温度高，电极反应速度快，不需要使用贵金属作
电催化剂；
固体氧化物燃料电池的特点
优点： 可使用高温进行内部燃料重整，使系统优化； 低排放、低噪声； 废热的再利用价值高。 陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电
• PEMFC工作温度低，启动速度较快，功率密度较高(体积 较小)，所以很适于用作新一代交通工具动力。
• 从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，
PEMFC电动汽车被业内公认为是电动汽车的未来发展方向。
燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系 统。
磷酸燃料电池(简称PAFC)是以酸为导电电解质的酸性燃料电 池。被称为继火电、水电、核电之后的第4种发电方式，是 目前燃料电池中唯一商业化运行的燃料电池。