14.8.22--燃料电池的原理和应用
燃料电池的原理和应用
吕咏萱 王 悦 高夏迪 覃 覃
选题目的 燃料电池的一个重要的特点，是可以长时间不间断地工作。这一特点，使燃料电池兼 具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。 身处二十一世 纪， 鉴于人们对耗竭现有库存自然资源的担心， 以及愈来愈多的人意识到大量焚烧矿物燃料 对环境的破坏，必将促使燃料电池在移动和静态能源的应用。19 世纪所发现的这种科学上 的奇特现象终将成为人们未来可利用的新能源。
燃料电池的基本原理及种类 燃料电池的组成 燃料电池是一个电化学系统。它将化学能直接转化为电能且废物排放量很低。燃料电 池由 4 个主要部分组成： (1) 电极。为多孔结构，可由具有电化学催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的 载体和反应电流的传导体。 (2) 电解质。通常为固态或液态，但也有关于 NH3 气氛中 NH4Cl 电解质的研究。电解质的状 态取决于电池的使用条件。 (3) 燃料。可以是气态(氢气等)或液态(甲醇等)，在极少数情况下也可以是固态(碳)。燃料 的状态可以由电池的工作状态和运行价格决定。 (4) 氧化剂。选择比较方便，纯氧、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的。 燃料电池的特点 可长时间不间断地工作——这使燃料电池兼具普通化学电源能量转换效率高和常规 发电机组连续工作时间长的两种优势。 高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在 4
0-60%；如果 实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80%以上。 环境友好——以纯氢为燃料时， 燃料电池的化学反应物仅为水； 以富氢气体为燃料时， 其二氧化碳的排放量比热机过程减少 40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。 安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 可靠性高——碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠， 可作为各种应急电源和不间断电源使用。
38三国演义好词好句摘抄
燃料电池的种类及其工作原理
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燃料电池 名称 温 度 电解质 导电 离子
+
燃料
氧化剂
催化 剂
电 效 率
技术状态
应用
质子交换 膜 PEMFC SPFC 碱性 AFC
低
全氟磺酸 型固体聚 合物
H
氢或净 化重整 气
-
空气或 纯氧
Pt/C 或 Pt-Ru /C
4358%
高度发展， 电动汽车， 需降低成 本 潜艇推动， 可移动动 力源
低
氢氧化钾 溶液
OH
A 型：纯 氢 B 型： N2H4 分解气
A 型：纯 氧 B 型：空 气 空气
多种
6090%
高度发展， 航天， 特殊 高效 地面应用
磷酸 PAFC
中
浸有浓 H3PO4 的 SiC 微孔膜
H
+
天然气 重整气 体
2-
Pt/C
3742%
高度发展， 特殊需求， 成本高， 余 热利用价 值低 区域性供 电
熔融碳酸 盐 MCFC
高
公务员考试资格要求
浸有(K、 Li)的 LiAlO2 隔 膜
CO3
净化煤 气或天 然气
空气
雷尼 镍和 氧化 镍
>50 %
需延长寿 命
区域性供 电
固体氧化 物 SOFC
高 氧化钇， 稳 定的氧化 锆
O
2-
净化煤 气或天 然气
空气
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电池结构 选择， 开发 廉价制备 技术
区域性供 电， 联合循 环发电
直接甲醇 DMFC
低
全氟磺酸 型固体聚 合物(实际 为 PEMFC 的 变种)
H
+
甲醇
空气
Pt/C中考百日誓师口号精选
40%
发展早期
移动电话， 笔记本电 脑
了却尘缘(1)质子交换膜燃料电池 PEMFC/SPFC + 阳极反应：2H2 → 4H + 4e + 阴极反应：O2 + 4H + 4e → 2 H2O 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 图 1 显示了质子交换膜燃料电池的基本设 计。 在质子交换膜燃料电池中， 电解质是一片薄 的聚合物膜， 和质子能够渗透但不导电， 而电极 基本由碳组成。 氢流入燃料电池到达阳极， 裂解 成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗 透到阴极， 而电子通过外部网路流动， 提供电力。 以空气形式存在的氧供应到阴极， 与电子和氢离子结合形成水。 每个电池能产生约 0.7 伏的 电。
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最主要的问题是制造成本，另一个大问题是这种电池需要纯净的氢方能工作。 (2) 碱性燃料电池 AFC
阳极反应：2H2 + 4OH → 4 H2O + 4e 阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e → 4OH 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 这是起步最早，发展最成熟的燃料电池。已成功应用于航天飞行中。我国早在六十年 代末就进行了 AFC 的研究。 (3) 磷酸燃料电池 PAFC + 阳极反应：2H2 → 4H + 4e + 阴极反应：O2 + 4H + 4e → 2 H2O 总反应：2H2 + O2 → 2 H2O 其产生的直流电可经直交变换以交流形式供给用户。 (4) 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 2阳极反应：CO3 + H2 → H2O + CO2 + 2e 2阴极反应：CO2 + 1/2 O2 + 2e → CO3 总反应： H2 + 1/2 O2 → H2O 2此电池与其他类型燃料电池的区别是， 由电极反应可知， MCFC 电池的导电离子为 CO3 。 在阴极 CO2 为反应物，在阳极 CO2 为产物。因此，电池工作过程中 CO2 在循环。为确保电池稳 定、连续地工作，必须使阳极产生的 CO2 返回到阴极。 (5) 固体氧化物燃料电池 SOFC 22阳极反应：H2 + O → H2O + 2e ，CH4 + 4O → 2H2O + CO2 + 8e 2阴极反应: O2 + 4 e → 2 O 总反应：H2 + 1/2 O2 → H2O，CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 从原理上讲，SOFC 是最理想的燃料电池类型之一。其具备以下优点：①是全固体的电 池结构， 避免了因使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题； ②电池在高温下工作， 电极反应过程相当迅速，无需采用贵金属电极，因而电池成本大大降低，高质量余热也可充 分利用；③燃料适用范围广。 (6) 直接甲醇燃料电池 DMFC + 阳极反应：CH3OH + H2O → CO2 + 6H + 6e + 阴极反应：3/2O2 + 6H + 6e → 3 H2O 电池反应：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2 H2O 这种电池的期望工作温度比标准的 PEMFC 略高，其效率大约是 40%左右。其缺点是当 甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。 (7) 再生型燃料电池 RFC 再生型燃料电池的概念相对较新，但全球有许多研究
小组正在从事这方面的工作。这 一技术与普通燃料电池的相同之处在于它也用氢和氧来生成电、 热和水。 其不同的地方是它 还进行逆反映，也就是电解。
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燃料电池的应用及发展趋势 空间领域：在 20 世纪 50 年代后期和 60 年代初期，美国政府为了替其载人航天飞行 寻安全可靠的能源， 对燃料电池的研究给于了极大的关心和资助， 使燃料电池取得了长足 的进步。重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水，所有这些优点均是其 它能源不可比拟的。第一次商业化使用燃料电池便是在 Gemini 航天项目中。 运输：当前，以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源。在世界各 地， 国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆， 燃料电池 可为这种要求带来实质的机遇。 现今燃料电池汽车是世界上的一大热点， 各大汽车品牌争先 恐后推出燃料电池汽车、越野车、摩托车，发展十分迅速。 移动装置：随着手机、笔记本电脑的普及，燃料电池使用寿命长，重量轻和充电方便 使其比常规电池具有得天独厚的优势。 许多数码品牌已经推出了其燃料电池产品， 并不断朝 着更小、更成熟的方向发展。 军事：燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海 陆运输，提供高效、持久、宁静的动力。自 20 世纪 80 年代以来，美国海军就使用燃料电池 为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。 燃料电池发电：与传统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有 极大的吸引力。此外，燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖，或国
家电网不够 稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源具有特殊的意义。
参考文献
(1)李国欣主编， 《新型化学电源导论》 ，复旦大学出版社，1992 年 (2)雷永泉等， 《新能源材料》 ，天津大学出版社，2000 年 (3)Annette Wille; Norbert Ber， 《燃料电池——能源转换的新来源》 ，ALSTOM 公司输配电 部 (4)《燃料电池教材》 ，v/
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