燃料电池工作原理论文

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某某大学某某学院

摘要：人类社会发展至今，绝大部分的能量转化均是通过热机过程来实现的。热机过程受

卡诺循环的，不但转化效率低，造成能源的浪费，而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮氧化合物和硫氧化物等有害物质以及噪声。燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。能量转化效率高（40%~60%），环境友好，正由于这种突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受世界关注，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

关键字：碱性燃料电池；磷酸型燃料电池；质子交换膜型燃料电池；直接醇类燃料电池；

固体氧化物燃料电池

能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发达程度和人民生活水平的重要指标。人类社会发展至今，绝大部分的能量转化均是通过热机过程来实现的。热机过程受卡诺循环的，不但转化效率低，造成能源的浪费，而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮氧化合物和硫氧化物等有害物质以及噪声。燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。能量转化效率高（40%~60%），环境友好，正由于这种突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受世界关注，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

1 原理概述

燃料电池是一种能量转化装置。它按电化学原理，即原电池的工作原理，等温的把贮存

在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。对于一个氧化还原反应，如：

【Ｏ】＋【Ｒ】→Ｐ式中，【Ｏ】代表氧化剂，【Ｒ】代表还原剂，Ｐ代表反应产物。把它分成两个半反应：【Ｒ】→【Ｒ】﹢＋ｅ﹢ 【Ｒ】﹢＋【Ｏ】＋ｅ﹣→Ｐ

燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的贮罐中。由于燃料电池工作是要连续不断的向电池送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和水溶液）。

２ 五大燃料电池工作原理

２.１碱性燃料电池

碱性燃料电池（alkaline fuel cell, AFC）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。

它以强碱（如氢氧化钠、氢氧化钾）为电解质，氢为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂，采用对氧电化学还原具有良好催化活性的Pt／Ｃ、Ａg、Ag-Au、Ni等为电

催化剂制备多孔气体扩散电极为氧电极，以Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化镍等具有良好催化氢电化学氧化的电催化剂制备的多孔气体电极为氢电极。以无孔碳板、镍板或镀镍甚至镀银、镀金的各种金属（如铝、镁、铁等）板为双级板材料，在板面上可加工各种形状的气体流动通道构成双极板。

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： H2+2OH﹣→2H2O+2e-

电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应： 1/2O2+H2O+2e-→2OH-

生成的OH-通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。

为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气氧气外，还需连续、等速的从阳极排出电池反应生成的水，以维持电解液碱浓度的恒定；排出电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。 2.2磷酸型燃料电池

磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell, PAFC）是当前商业化发展的最快的一种燃料电池,以成为燃料电池的发展方向。这种电池使用液体磷酸为电解质，采用廉价的碳材料为骨架。还可直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性燃料电池相比，最大的优点是它不需要二氧化碳处理设备。这种电池使电解质通常位于碳化硅基质中，由于酸的阴离子特殊吸附等原因，导致氧的电化学还原速度比碱性电池中慢得多。为提高反应速度，不但必须采用贵金属如铂做电催化剂，而且反应温度也需提高，位于150-200℃。较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

阳极反应：H2+2H2O→2H3O﹢＋2e﹣ 阴极反应：O2＋4H3O﹢＋4e﹣→6H2O 总反应：O2＋2H2→2H2O 2.3质子交换膜燃料电池

质子交换膜型燃料电池（proton exchange membrane fule cell, PEMFC）以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂炭或铂钌为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。

PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生如

下反应： H2→2H﹢＋2e﹣

该电极反应产生的电子境外电路到阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极上发生反应生成水：

1∕2O2＋2H﹢＋2e﹣→H2O 生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。 质子交换膜型燃料电池除具有燃料电池一般特点（如能量转化效率高、环境友好等）之外，还具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出优点。他不仅可以用于建设分散电站，也特别适宜用于可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军、民通用的一种新型电源，也是利用氯碱厂副产物氢气发电的最佳候选能源。 2.4直接醇类燃料电池

氢能源的供应设施，贮存与运输技术发展远落后于需要，因此在二十世纪末，以醇类直

接为燃料的燃料电池，尤其是以甲醇为燃料的电池（direct methanol fule cell, DMFC）成为研究热点。

阴极为氧的电化学还原：3∕2＋6H﹢＋6e﹣→3H2O

阳极为甲醇的电化学氧化：CH3OH＋H2O→CO2↑＋6H﹢＋6e﹣ 总反应为甲醇的完全氧化：CH3OH＋3∕2O2→CO2↑＋2H2O

有甲醇阳极电化学氧化方程式可知，该反应机理相当复杂，在完成六个电子转移的过程中，会生成众多稳定的或不稳定的中间物；有的中间物会成为催化剂的毒物，导致催化剂中毒，严重降低催化剂活性。因此催化剂的研究开发、反应机理等研究至今仍是热点。

由CH3OH阳极电化学氧化方程可知，每消耗一摩尔甲醇，同时也消耗一摩尔水。依据水与甲醇的阳极进料方式不同，DMFC可分为两类。

（1） 以气态甲醇和水蒸气为燃料 （2） 采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料 两种方法各有利弊，也都还在研究中。 2.5固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（SOFC）通常采用的结构类型有管型和平板型两种。

管型电池组由一端封闭的管状单电池以串联、并联方式组装而成。每个单电池从内到外由多孔支撑管、空气极板、固体电解质薄膜和金属陶瓷阳极组成。管型固体燃料电池一般在很高温度下进行操作，主要固定电站系统；缺点是电流通过电池的路径较长，了性能。

平板型固体燃料电池的空气电极/YSZ固体电解质/燃料电极烧结成一体，组成“三合一”结构。PEN与双极板之间通常采用高温无机粘合材料密封，以有效的隔离燃料和氧化剂。平板式的优点是制备工艺简单，造价低。由于电流收集均匀，电流路径短，输出功率密度也比较高。但缺点是密封困难、抗热循环性能差及难以组装成大功率电池组。

燃料电池的发电原理都可以简单概括为氧化还原反应，而原理为燃料电池系统的操作与应用提供了坚实的基础。二十一世纪，能源紧缺，燃料电池的高效环保更成为了发展的必然选择，对施行可持续发展具有重要意义。燃料电池是新一代的零排放、清洁能源动力系统，该技术相关产业多，而且都是关系国家命脉的主要产业，如氢气站、加氢站、燃料电池电动车、电动船，作为可移动式、固定式发电站的生产与推广应用，构成了21世纪未来前景无限的氢能经济，潜能无限。

参考文献

衣宝廉 著 燃料电池——原理·技术·应用 化学工业出版社 2003

詹姆斯·拉米尼 安德鲁·迪克斯 著 朱红 译 衣宝廉 校 燃料电池系统——原理·技术·应用 （原书第二版） 北京 科学出版社 2006