燃料电池的原理和应用

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1、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

2、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40-60%；

3、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燃料电池的种类及其工作原理燃料电池温电解质导电燃料氧化剂催化电技术状态应用名称度离子剂效率+质子交换低全氟磺酸H氢或净空气或Pt/C43-高度发展，电动汽车，膜型固体聚化重整纯氧或58%需降低成潜艇推动，P

4、EMFC合物气Pt-Ru本可移动动SPFC/C力源-碱性AFC低氢氧化钾OHA型：纯A型：纯多种60-高度发展，航天，特殊溶液氢氧90%高效地面应用B型：N2H4B型：空分解气气+磷酸PAFC中浸有浓H天然气空气Pt/C37-高度发展，特殊需求，H3PO4的SiC重整气42%成本高，余区域性供微孔膜体热利用价电值低2-熔融碳酸高浸有(K、CO3净化煤空气雷尼>50需延长寿区域性供盐MCFCLi)的气或天镍和%命电LiAlO2隔然气氧化膜镍2-固体氧化高氧化钇，稳O净化煤空气50-电池结构区域性供物SOFC定的氧化气或天65%选择，开发电，联合循锆然气廉价制备环发电技术+直

5、接甲醇低全氟磺酸H甲醇空气Pt/C40%发展早期移动电话，DMFC型固体聚笔记本电合物(实际脑为PEMFC的变种)(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→2H2O总反应：2H2+O2→2H2O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

6、.7伏的电。39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→4H2O+4e-阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH总反应：2H2+O2→2H2O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→2H2O总反应：2H2+O2→2H2O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MCFC2-阳极反应：CO3+H2→H2O+CO2+2e2-阴极

7、反应：CO2+1/2O2+2e→CO3总反应：H2+1/2O2→H2O2-由电极反应可知，MCFC电池的导电离子为CO3。此电池与其他类型燃料电池的区别是，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SOFC2-2-阳极反应：H2+O→H2O+2e，CH4+4O→2H2O+CO2+8e2-阴极反应:O2+4e→2O总反应：H2+1/2O2→H2O，CH4+2O2→2H2O+CO2从原理上讲，SOFC是最理想的燃