燃料電池工作原理及發(fā)展前景

聽到氫氣，甲烷，一氧化碳你能想到什么？你會覺得燃燒它們可以烹飪出美味的佳肴？你會覺得在這寒冷的冬天燃燒它們會帶給我們溫暖？甚至你會覺得若是在蒸汽時代燃燒它們可以驅(qū)動笨重的蒸汽機車和輪船前往自己的目的地？你out了！在科技高速發(fā)達的今天，有一種高效又清潔的利用它們的方式——燃料電池。

首先我們對燃料電池進行一下基本的介紹：燃料電池是一種等溫進行，直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效，無污染的轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。通過基本的介紹可知，燃料電池輸出的是電能，在現(xiàn)實生活中電能是一種清潔的能源，利用電能的過程中沒有任何污染產(chǎn)生，因此燃料電池輸出的能源是清潔的。但是，燃料電池的發(fā)電過程是等溫過程，可能會造成散熱上的麻煩，這也是燃料電池的一個缺點。

燃料電池的發(fā)電原理和化學(xué)電源一樣，由電極提供電子轉(zhuǎn)移的場所，陽極催化燃料（如氫氣，甲烷，一氧化碳等）的氧化過程，陰極催化氧化劑（如氧等）的還原過程；導(dǎo)電離子在將陰，陽極分開的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。由原理可以分析出，燃料電池的基本組成結(jié)構(gòu)有：陰極，陽極，電解質(zhì)三個基本單元。

燃料電池與常規(guī)化學(xué)電源不同，而更類似于汽油，柴油發(fā)電機。它的燃料和氧化劑不是儲存在電池中，而是儲存在電池外的儲罐中。當(dāng)電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷的向電池內(nèi)輸送燃料和氧化劑，排出反應(yīng)物，同時也要排出一定的廢熱，以維持電池工作溫度恒定。燃料電池本身只決定輸出功率的大小，其儲存能量的大小則由儲存在儲罐中的燃料和氧化劑的多少而決定。

下面我們以氫燃料電池為例具體分析一下燃料電池的工作原理：

氫氧燃料電池原理簡圖 反應(yīng)方程式：H212O2H2O；

燃料氫氣在陽極在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成陽離子（氫離子）釋放到電解質(zhì)中并生成自由電子在電路中產(chǎn)生電能；

氧化劑氧氣在陰極在催化劑的作用下發(fā)生化原反應(yīng)，生成陰離子（若是在酸性條件下則生成H2O，若是在堿性條件下則生成OH）釋放到電解質(zhì)中并接受由陽極產(chǎn)生的自由

電子從而完成電能的輸送；

由陰，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的陰，陽離子通過質(zhì)子導(dǎo)電而電子絕緣的電解質(zhì)運動到相對應(yīng)的

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專業(yè)：化學(xué)工程 班級：化工1002 姓名：劉易杭 學(xué)號：201744226

另一個電極上，生成反應(yīng)產(chǎn)物并隨未發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)物一起排到電池外；

由陽極發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的自由電子通過外電路由陽極運動到陰極，使整個反應(yīng)達到物質(zhì)平衡和電荷平衡，這樣外部用電器就獲得了燃料電池所產(chǎn)生的電能。

說過了燃料電池的原理，下面我們說說燃料電池的分類。按工作溫度可劃分為低溫燃料電池，中溫燃料電池和高溫燃料電池三大類。其中，低溫燃料電池按照電解質(zhì)的不同又可分為堿性燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池，磷酸燃料電池和直接甲醇燃料電池。而中溫燃料電池通常指的是熔融碳酸燃料電池，高溫燃料電池通常指的是固態(tài)氧化物燃料電池。下面分別進行簡要的介紹。

堿性燃料電池指的是其電解質(zhì)溶液為強堿溶液，如NaOH溶液。則其正，負(fù)極反應(yīng)分別為：負(fù)極：2H24OH4e4H2O；

正極：O22H2O4e4OH；

質(zhì)子交換膜燃料電池是以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，其正，負(fù)極反應(yīng)分別為：

負(fù)極：2H24e4H；

正極：O24H4e2H2O；

注意所有的電子e都省略了負(fù)號上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。若質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料為甲醇而不是由甲醇經(jīng)過重整后的氫氣，則稱為直接甲醇燃料電池。實際上直接甲醇燃料電池屬于質(zhì)子交換膜燃料電池的一種。

磷酸燃料電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，其常溫下為固體，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。則其正，負(fù)極反應(yīng)分別為：

負(fù)極：2H24H2O4e4H3O；

正極：O24H3O4e8H2O；

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。工作溫度問600~700℃，因此被分類到中溫燃料電池。則其正，負(fù)極反應(yīng)分別為：

2 負(fù)極：2H22CO34e2CO22H20；

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正極：O22CO24e2CO3； 2

固態(tài)氧化物燃料電池使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)。其工作溫度位于800-1000℃之間。因此被分類到高溫燃料電池。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，然而它們用來承受所產(chǎn)生的高溫的建造材料卻要昂貴得多。

最后，我們了解了氫氧燃料電池的工作原理及各種不同燃料電池的特性，根據(jù) 2

專業(yè)：化學(xué)工程 班級：化工1002 姓名：劉易杭 學(xué)號：201744226

這些特性，我們下面簡要分析一下燃料電池的優(yōu)點。首先，燃料電池能高效的把燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化成電能。由于只是在電極上發(fā)生一次催化作用而發(fā)生氧化，還原反應(yīng)，所以能量損失少，效率高，優(yōu)于其他的發(fā)電裝置。其次，燃料電池的產(chǎn)物對環(huán)境沒有污染，如氫氧燃料電池產(chǎn)物為水，甲烷燃料電池產(chǎn)物為水和二氧化碳，一氧化碳燃料電池產(chǎn)物為二氧化碳和水，對環(huán)境沒有污染，是環(huán)境友好性發(fā)電裝置。再次，燃料電池沒有動態(tài)部件，整個發(fā)電過程是靜態(tài)過程，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。最后，燃料電池有標(biāo)準(zhǔn)組件，可通過改變組件大小將改變其能量輸出。輸出功率可以從幾瓦到幾百萬兆瓦。以實現(xiàn)燃料電池對不同場合都能適用。

燃料電池高效，無污染，適應(yīng)能力強。是21世紀(jì)非常好的發(fā)電裝置。騰訊網(wǎng)上發(fā)布了《中國首架純?nèi)剂想姵責(zé)o人機首飛》的新聞。文章中指出，日前，由同濟大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院、上海奧科賽飛機公司歷時一年多時間共同研制的我國第一架純?nèi)剂想姵責(zé)o人機“飛躍一號”，在上海奉賢海邊首次試飛成功。該無人機可升至2000米以內(nèi)高空，時速為30公里，可連續(xù)飛行兩小時，非常適合用于環(huán)境監(jiān)測、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域。由此可見，燃料電池的應(yīng)用范圍是非常廣泛的。

老師，無意中在騰訊網(wǎng)上看見的新聞讓我選定了燃料電池原理為自己大作業(yè)的主題，這篇文章來自老師上課傳授的知識和在網(wǎng)上查閱的部分內(nèi)容。老師一學(xué)期來辛苦的講課對我?guī)椭�很大，讓我了解了能源的分類，煤，石油，天然氣，生物質(zhì)能，氫能及超級電容器的部分知識，平時由于學(xué)生工作的原因沒有全勤配合老師的教學(xué)，以后定將改正，這里也為我的過錯向老師表達誠摯的歉意。能選上老師課也是我們師生的緣分，最后，祝老師工作順利，身體健康，生活美滿。

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燃料電池的結(jié)構(gòu)、發(fā)展與前景2017-04-07 06:55 | #2樓

燃料電池是一種高效、清潔的電化學(xué)發(fā)電裝置，近年來得到國內(nèi)外普遍重視。燃料電池在宇宙飛船、航天飛機及潛艇動力源方面已經(jīng)得到應(yīng)用，在汽車、電站等方面也有應(yīng)用，但高成本、低壽命仍然是商業(yè)化面臨的瓶頸問題。如果在民用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池壽命與成本兼顧，那么燃料電池將會大面積普及。 燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能有以下途徑：

由以上比較可以看出：在三種能量的轉(zhuǎn)化過程中，只有燃料電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有經(jīng)歷“熱”的轉(zhuǎn)化這一中間步驟，所以就不受卡諾循環(huán)效率理論的限制。它還與一般原電池、蓄電池不同的是化學(xué)原料（即參加電極反應(yīng)的活性物質(zhì)）并不貯存于電池內(nèi)部，而是全部由電池外部供給。因此，原則上只要外部不斷供給化學(xué)原料，正負(fù)極分別供給氧和氫（通過天然氣、煤氣、甲醇、汽油等化石燃料的重整制�。┤剂想姵鼐涂梢圆粩喙ぷ鳎瑢⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�。因此燃料電池又叫“連續(xù)電池”。它是繼水力、火力、原子能發(fā)電之后的第-四-代發(fā)電技術(shù)。

以第三代燃料電池—熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)為例說明它的基本結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)行MCFC 電池的設(shè)計是基于平面矩形板組合，多個電池疊在一起產(chǎn)生所需電壓，每個電池都具有相同的結(jié)構(gòu)單元，包括陽極電流收集器、多孔陽極（基本材料為特種Ni 粉）、電解質(zhì)基體（主要成分為LiAlO2, 填充Li2CO3+ K2CO3 ）、多孔陰極（主要成分為摻鋰NiO）和陰極電流收集器。各個電池之間被一塊隔離片分隔，隔離片起到分離氣體和串聯(lián)電流的作用。

在燃料電池的電極上發(fā)生如下反應(yīng):陽極反應(yīng): H2+ CO3-2 = H2O+ CO2+ 2e- ，CO+ CO3- 2= 2CO2+ 2e- (少量)交換反應(yīng): CO+ H2O= H2+ CO2。陰極反應(yīng):1/2O2+ CO2+ 2e- = CO3-2總反應(yīng):1/2 O2+ H2= H2O由此可見，燃料電池內(nèi)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)就是氫氣的燃燒反應(yīng)，反應(yīng)的生成物是水，因此，燃料電池幾乎不污染環(huán)境。燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池，磷酸燃料電池，堿性燃料電池，固體氧化物燃料電池及熔融碳酸鹽燃料電池。

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自1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈起，燃料電池已經(jīng)經(jīng)歷了1百多年的歷程，由于能源與環(huán)境已成為人類社會賴以生存的重點問題，近20年來得到各國政府的普遍重視和大力發(fā)展，但是成本高和壽命短這兩個瓶頸問題始終沒有得到太好的解決。成本和壽命是相互聯(lián)系的，同時滿足兩者需求是實現(xiàn)民用燃料電池應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)，航天飛機、潛艇動力用燃料電池目前國際上均已應(yīng)用，在只側(cè)重壽命、可靠性的特殊領(lǐng)域，現(xiàn)有燃料電池技術(shù)是可以滿足應(yīng)用需求的。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用背景采用不同的技術(shù)路線，是制定燃料電池技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。

燃料電池有幾個重要的應(yīng)用領(lǐng)域：1、航天領(lǐng)域：早在上世紀(jì)60年代，燃料電池就成功應(yīng)用于航天技術(shù)，由于燃料電池有輕質(zhì)，高效的特點一直是沒過航天技術(shù)的首選，并且以1965年研制成功的阿波羅號航天飛船為典型，在阿波羅號宇宙飛船1966年至1978年服役期間，總計完成了18次飛行任務(wù)，累積運行超過了10000h表現(xiàn)出良好的可靠性與安全性。除了宇宙飛船外，燃料電池在航天飛機上的應(yīng)用是航天史上又一成功的范例。美國航天飛機載有3個額定功率為12kW的堿性燃料電池每個電堆包含96節(jié)單電池，輸出電壓為28V，效率超過70%。單個電堆可以獨立工作，確保航天飛機安全返航，采用的是液氫、液氧系統(tǒng)，燃料電池產(chǎn)生的水可以供航天員飲用。從1981年首次飛行直至2011年航天飛機宣布退役，在30年期間里燃料電池累積運行了101000h，可靠性達到99%以上。

2、潛艇方面：燃料電池作為潛艇AIP的動力源，從2002年第一艘燃料電池AIP潛艇下水至今已經(jīng)有6艘在役FC-AIP 潛艇具有續(xù)航時間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點，通常柴油機驅(qū)動的潛艇水下一次潛航時間僅為2天，而FC-AIP潛艇一次潛航時間可達3周。

3、電動汽車：隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機汽車造成的環(huán)境污染日益加劇，同時，也面臨著對石油的依存度日益增加的嚴(yán)重問題。燃料電池作為汽車動力源是解決因汽車而產(chǎn)生的環(huán)境、能源問題的可行方案之一，近20年來得到各國政府、汽車企業(yè)、研究機構(gòu)的普遍重視，燃料電池汽車示范在國內(nèi)外不斷興起。通過示范，車用燃料電池技術(shù)取得了長足的進展。近年來，燃料電池汽車在性能、壽命與成本方面均取得一定的突破。在性能方面，美國GM公司的燃料電池發(fā)動機體積比功率已與傳統(tǒng)的四缸內(nèi)燃機相當(dāng)；在壽命方面，美國UTC Power公司的燃料電池客車至2011年8月已經(jīng)累積運行了10000h，壽命指標(biāo)已達到商業(yè)化目標(biāo); 在成本方面，各大汽車公司都致力于降低燃料電池Pt用量，經(jīng)過不斷地技術(shù)改進，美國GM公司一臺94 kW的發(fā)動機，Pt用量從上一代的80 g降低到30 g，并計劃2017年P(guān)t用量再降低至1/3，達到每輛車Pt 用10 g。日本Toyota公司也宣布燃料電池發(fā)動機催化劑Pt 用量降低到原來的1 /3，預(yù)計2017年單車成本降低至50 000美元，并計劃于2017年實現(xiàn)燃料電池汽車商業(yè)化。我國燃料電池汽車經(jīng)過十幾年的發(fā)展，取得了可喜的進步，國產(chǎn)PEMFC關(guān)鍵材料和部件的開發(fā)取得了重大進展，研制成功了高導(dǎo)電性及優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的碳紙、增強型復(fù)合質(zhì)子交換膜、

高穩(wěn)定性/高活性Pt-Pd 復(fù)合電催化劑及薄型全金屬雙極板等。經(jīng)過膜電極技術(shù)的優(yōu)化，電催化劑利用率得到大幅提高，流場優(yōu)化提高了高電流密度下水管理能力，使額定工作點由0．66 V@ 0．5 A·cm-2提升至0．66 V@1．0 A·cm-2，比功率達到1300 W·L -1在同樣功率輸出情況下，體積和質(zhì)量分別減小了一半。

4、燃料電池固定式分散電站：污染重、能效低一直是困擾火力發(fā)電的核心問題，燃料電池作為低碳、減排的清潔發(fā)電技術(shù)，受到國內(nèi)外的普遍重視。燃料電池電站不同于燃料電池汽車，沒有頻繁啟動問題，因此可以采用以下4種燃料電池技術(shù)，分別是磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池。

5、備用電源與家庭電源：與現(xiàn)有的柴油發(fā)電機比較，燃料電池作為不間斷備用電源，具有高密度、高效率、長待時及環(huán)境友好等特點，可以為電信、銀行等重要部門或偏遠(yuǎn)地區(qū)提供環(huán)保型電源。家庭與一些公共場所大多采用1到5 kW 小型熱電聯(lián)供裝置，家庭電源通常以天然氣為燃料，這樣可以兼容現(xiàn)有的公共設(shè)施，提供電網(wǎng)以外的電，廢熱可以以熱水的形式利用，備用電源也可采用甲醇液體燃料。

6、燃料電池可移動電源、充電器：燃料電池作為小型可移動電源或二次電池的充電器，也是目前研發(fā)的熱點．主要技術(shù)基礎(chǔ)是采用直接甲醇燃料電池，即以甲醇為燃料，這種液體燃料具有攜帶方便、比能量高等特點。直接甲醇燃料電池初期是瞄準(zhǔn)手機、筆記本電腦電源市場，旨在提供長待時電池，但在系統(tǒng)管理、小型化等技術(shù)方面還有待突破。目前用的最廣的是直接甲醇燃料電池充電器，但是，直接甲醇燃料電池在技術(shù)方面還需要進一步解決壽命、穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題，性能有待進一步提升。重點是通過研制新型的阻醇膜、多元合金催化劑以及調(diào)變膜電極組件結(jié)構(gòu)等，解決材料在運行過程中的穩(wěn)定性與耐久性、系統(tǒng)水熱管理等問題，并同時解決工程化實際問題。

燃料電池?fù)碛泻芎玫那熬�。中國稀土資源豐富，發(fā)展MCFC和SOFC技術(shù)具有十分有利的條件。應(yīng)用氫氣做燃料PEMFC已經(jīng)商業(yè)化，在國外容量為3kW、5kW、7kW等熱電聯(lián)用的燃料電池正在源源不斷地進入家庭，數(shù)百kW的燃料電池正在源源不斷地進入旅館、飯店商廈等場所。這些電力裝置同小型光伏發(fā)電裝置一樣可以獨立發(fā)電，也可與電力網(wǎng)相連。為了獲得氫燃料，目前在非純氫燃料電池前均加了燃料改質(zhì)器。隨著其商業(yè)化的發(fā)展，實行家庭發(fā)電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便，購一罐氫氣可以發(fā)電數(shù)月。其次，中國有許多偏遠(yuǎn)的山村和海島，遠(yuǎn)離電網(wǎng)或處在電網(wǎng)的末端，用電量不大。從商業(yè)角度考慮，架設(shè)高電壓等級的線路是不合算的，但不架設(shè)又難以實現(xiàn)村村通電的目標(biāo)。有了燃料電池，用當(dāng)?shù)厣�物質(zhì)氣體為燃料，再配合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、太陽能等，就可以滿足當(dāng)?shù)氐拈L期的電能需求。這樣可以使投資更加合理，又提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。第三，電網(wǎng)均采用高壓長距離輸電的方式使偏僻山區(qū)的水電和坑口、路口以及�？谔幍幕痣娸斔偷截�(fù)荷中心地帶。中外近年多次電網(wǎng)事故證明，在地震、水災(zāi)、暴風(fēng)、冰雪、雷電等自然災(zāi)害面前，這種系統(tǒng)往往是十分脆弱的。而星羅棋布的燃料電池加入到電網(wǎng)中供電，將會大大提高電網(wǎng)的安全性。對于大規(guī)模的應(yīng)用化石能源的電力系統(tǒng)來說，變長距離輸電為長距離輸氣，應(yīng)用大中小相結(jié)合的各種燃料電池靠近負(fù)荷供電供熱會更經(jīng)濟、更安全。同時燃料電池也有相應(yīng)的缺點，燃料電池發(fā)電將增加管理的復(fù)雜性。一是燃料電池發(fā)的均是直流電，需變頻后入網(wǎng)，如此將需要對諧波進行控制；二是價格管理，每一個小的系統(tǒng)與電網(wǎng)均有電量交換，需要進行合理的價格管理，這與其他新能源入網(wǎng)問題一樣（如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能發(fā)電），入網(wǎng)電量小，管理量不小。

綜上所述，燃料電池經(jīng)過一百多年的發(fā)展已經(jīng)日益趨向成熟化，在航天領(lǐng)域，潛艇領(lǐng)域已經(jīng)有了充分的應(yīng)用，在民用方面由于受到成本和壽命的制約，還處于示范階段，所以作為電化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，我們應(yīng)該努力的學(xué)習(xí)燃料電池的知識，在未來我國大力推進燃料電池在特殊領(lǐng)域應(yīng)用時可以投身到其中，增強我國的國防軍事實力，同時解決壽命與成本兼顧問題的重任也落在了我們肩上，我認(rèn)為從材料，部件，系統(tǒng)三個方面進行技術(shù)改進和創(chuàng)新，在環(huán)境友好的前提下盡可能的加快燃料電池民用商業(yè)化的步伐，減緩化石能源緊缺的危機。

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