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    淺談燃料電池的技術原理

    發布日期: 2021-10-25
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    燃料電池是將燃料具有的化學能直接變為電能的發電裝置。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)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部,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,只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時,燃料和氧化劑由外部供給,進行反應。原則上只要反應物不斷輸入,反應產物不斷排除,燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

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    氫-氧燃料電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為:負極:H2+2OH-→2H2O+2e-


    正極:1/2O2+H2O+2e-→2OH-


    電池反應:H2+1/2O2==H2O


    另外,只有燃料電池本體還不能工作,


    必須有一套相應的輔助系統,包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。


    燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成,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不同,經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H+)相關,發生的反應為:


    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+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e-經由外部的負荷回路,再反回到空氣極側,參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經由外部回路,因而就構成了發電。并且從上式中的反應式(3)可以看出,由H2和O2生成的H2O,除此以外沒有其他的反應,H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上,伴隨著電極的反應存在一定的電阻,會引起了部分熱能產生,由此減少了轉換成電能的比例。引起這些反應的一組電池稱為組件,產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面積成比。


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    PAFC的電解質為濃磷酸水溶液,而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體,為了促進反應,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更應嚴格地加以限制。


    磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是:燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器,把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物,CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經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,借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。


    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用,而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。


    MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質(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流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等,電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現熔融狀態的液體,形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體,氣室的形成采用抗蝕金屬。


    MCFC工作原理??諝鈽O的O2(空氣)和CO2與電相結合,生成CO32-(碳酸離子),電解質將CO32-移到燃料極側,與作為燃料供給的H+相結合,放出e-,同時生成H2O和CO2?;瘜W反應式如下:


    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了燃料電池發電。另外,MCFC的特點是,必須要有有助于反應的CO32-離子,因此,供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且,在電池內部充填觸媒,從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內部改質,在電池內部直接生成H2的方法也已開發出來了。而在燃料是煤氣的情況下,其主成份CO和H2O反應生成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成的,電解質通常采用ZrO2(氧化鋯),它構成了O2-的導電體Y2O3(氧化釔)作為穩定化的YSZ(穩定化氧化鋯)而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷,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,電解質之間熱膨脹差造成裂紋產生等,開發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,還有開發出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下:


    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經電解質而移動,與O2-反應生成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部將天然氣主成份CH4改質成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。

    文章來源: 快科技網    侵刪
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