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燃料电池的工作原理

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燃料电池的工作原理

发布日期:2018-07-03 作者:嘉裕碳素 点击:

    燃料电池的一般结构为:燃料(负极)|电解质(液态或固态)|氧化剂(正极)。在燃料电池中,负极常称为燃料电极或氢电极,正极常称为氧化剂电极、空气电极或氧电极。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。按电化学强弱,燃料的活性排列次序为:肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤。燃料的化学结构越简单,建造燃料电池时可能出现的问题越少。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液,固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。在液体电解质中应用微孔膜,0.2mm~0.5mm厚。固体电解质为无孔膜,薄膜厚度约为20μm。    

     燃料电池的反应为氧化还原反应,电极的作用一方面是传递电子、形成电流;另一方面是在电极表面发生多相催化反应,反应不涉及电极材料本身,这一点与一般化学电池中电极材料参与化学反应很不相同,电极表面起催化剂表面的作用。  

     在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为:  

     O2+2H2→2H2O  

     反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式:  

     Eo=-(ΔG/2F)=1.23V  

     η=ΔG/ΔH=83.0%  式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。  

     燃料电池工作的中心问题是燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性问题。对于气体电极过程,必需采用多孔气体扩散电极和高效电催化剂,提高比表面,增加反应活性,提高电池比功率。  

     氢在负极氧化是氢原子离解为氢离子和电子的过程,若用有机化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氢气体,必要时还要除去毒化催化剂的有害杂质。这些反应可在电池内部或外部进行,需附加辅助系统。正极中的氧化反应缓慢,燃料电池的活性主要依赖正极。随着温度升高,氧的还原反应有相当的改善。高温反应有利于提高燃料电池反应活性。  

     对于燃料电池发电系统,核心部件是燃料电池组,它由燃料电池单体堆集而成,单体电池的串联和并联选择,依据满足负载的输出电压和电流,并使总电阻最低,尽量减小电路短路的可能性。其余部件是燃料预处理装置、热量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置。通过燃料预处理,实现燃料的生成和提纯。燃料电池的运行或起动,有的需要加热,工作时放出相当的热量,由热量管理装置合理地加热或除热。燃料电池工作时,在碱性电解液负极或酸性电解液正极处生成水。为了保证电解液浓度稳定,生成的水要及时排除。高温燃料电池生成水会汽化,容易排除,水量管理装置将实现合理的排水。燃料电池与化学电池一样,输出直流电压,通过电压变换成为交流电送到用户或电网。燃料电池发电系统通过自控装置使各个部件协调工作,进行统一控制和管理。


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