1燃料電池的工作原理

人們常用的普通電池有堿性干電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。燃料電池和普通電池相比，既有相似，又有很大的差異。它們有著相似的發(fā)電原理，在結(jié)構(gòu)上都具有電解質(zhì)，電極和正負(fù)極連接端子。二者的不同之處在于，燃料電池不是一個(gè)儲(chǔ)存電能的裝置，實(shí)際上是一種發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)燃料也不儲(chǔ)存于電池內(nèi)部，而是從外部供應(yīng)。在燃料電池中，反應(yīng)物燃料及氧化劑可以源源不斷地供給電極，只要使電極在電解質(zhì)中處于分隔狀態(tài)，那么反應(yīng)產(chǎn)物可同時(shí)連續(xù)不斷地從電池排出，同時(shí)相應(yīng)連續(xù)不斷地輸出電能和熱能，這便利了燃料的補(bǔ)充，從而電池可以長(zhǎng)時(shí)間甚至不間斷地工作。人們之所以稱(chēng)它為燃料電池，只是由于在結(jié)構(gòu)形式上與電池有某種類(lèi)似：外特性像電池，隨負(fù)荷的增加，它的輸出電壓下降[4]。

燃料電池實(shí)際上是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器[5]，它把燃料同氧化劑反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒(méi)有傳統(tǒng)發(fā)電裝置上的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置，也沒(méi)有直接的燃燒過(guò)程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應(yīng)物通常是氫和氧等燃料，它的副產(chǎn)品一般是無(wú)害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物排放等子系統(tǒng)與電池堆一起構(gòu)成完整的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池可以使用多種燃料，包括氫氣、碳、一氧化碳以及比較輕的碳?xì)浠衔?，氧化劑通常使用純氧或空氣。它的基本原理相?dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)，即水的合成反應(yīng)。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽(yáng)極上借助催化劑的作用，電離成離子，由于離子能夠通過(guò)二電極中間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽(yáng)電極間形成電壓。當(dāng)電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)，就可向外供電(發(fā)電)。圖1是燃料電池的工作原理圖[6]。

2燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史、分類(lèi)及各自特性

1839年，WilliamGrove提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，并發(fā)明了第一個(gè)燃料電池。他把封有鉑電極的玻璃管浸入稀硫酸中，電解產(chǎn)生氫和氧，連接外部裝置，氫和氧就發(fā)生電池反應(yīng)，產(chǎn)生電流。

1896年，W.W.Jacques提出了用煤作為燃料電池的燃料，但由于無(wú)法解決環(huán)境污染的問(wèn)題，沒(méi)有取得滿(mǎn)意的效果。

1897年，W.Nernst用氧化釔和氧化鋯的混合物作為電解質(zhì)，制作成了固體氧化物燃料電池。

1900年，E.Baur研究小組發(fā)明了熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)。此后，I.Taitelbaum等人就此進(jìn)行了一些拓展性的研究。

1902年，J.H.Reid等人先后開(kāi)始研究堿質(zhì)型燃料電池(AFC)。

1906年，F(xiàn).Haber等人用一個(gè)兩面覆蓋鉑或金的玻璃圓片作為電解質(zhì)，與供氣的管子相連，做出了固體聚合物燃料電池(SPFC)的雛形。

1952年，英國(guó)學(xué)者F.T.Bacon在借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制出具有實(shí)用性的培根電池并獲得專(zhuān)利。它的研制思路是避免采用貴金屬并設(shè)法獲得盡可能高的輸出功率。采用雙層孔徑燒結(jié)鎳做電極，氫氧化鉀水溶液做電解質(zhì)，以純氫和純氧為燃料及氧化劑。副產(chǎn)物是純水。培根電池是燃料電池由實(shí)驗(yàn)走向?qū)嵱镁哂欣锍瘫再|(zhì)的燃料電池[7]。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，燃料電池進(jìn)入了廣泛的實(shí)用性開(kāi)發(fā)階段。按所使用的電解質(zhì)的不同，燃料電池通?？梢苑譃橐韵聨追N[8]：

2.1堿性燃料電池(alkalinefuelcell簡(jiǎn)稱(chēng)AFC)

這種電池是以氫氧化鉀或氫氧化鈉等堿性溶液為電解質(zhì)，電解液滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中，導(dǎo)電離子為OH-，使用的電催化劑主要是貴金屬(如鉑、鈀、金、銀等)和過(guò)渡金屬(如鎳、鈷、錳等)或者由它們組成的合金。電池的工作溫度一般在60℃～90℃范圍。它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但不耐CO2，所以原則上它必須采用純氫和純氧做為燃料。

2.2磷酸鹽燃料電池(phosphoricacidfuelcell簡(jiǎn)稱(chēng)PAFC)

這種電池一般以Pt/C為電極基材，電解質(zhì)為吸附于SiC上的85%的磷酸溶液，工作溫度范圍在150℃～200℃，其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生熱量高，產(chǎn)生CO的量少。缺點(diǎn)是電導(dǎo)率較低且有漏液?jiǎn)栴}。

2.3質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell簡(jiǎn)稱(chēng)PEMFC)

這種電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，無(wú)電解質(zhì)腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，室溫下快速啟動(dòng)。

2.4熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell簡(jiǎn)稱(chēng)MCFC)

該型電池采用多孔Ni/Al/Cr作陽(yáng)極，NiO為陰極，Li2CO3/Na2CO3為電解質(zhì)，并加入LiAlO2做穩(wěn)定劑。MCFC型燃料電池由于反應(yīng)溫度高，正常工作溫度在650℃左右，電解質(zhì)成熔融態(tài)，電荷移動(dòng)很快，在陰陽(yáng)電極處電化學(xué)反應(yīng)快，因此可不用昂貴的貴金屬作催化劑；對(duì)燃料適應(yīng)廣，可直接使用天然氣或煤氣作為燃料使用，降低了投資；可同汽輪發(fā)電機(jī)組組成聯(lián)合循環(huán)，進(jìn)一步提高發(fā)電效率。其優(yōu)點(diǎn)是高效，耐CO.主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

2.5固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell簡(jiǎn)稱(chēng)SOFC)

固體氧化物燃料電池，又稱(chēng)高溫燃料電池，電解質(zhì)采用ZrO2+Y2O3，陽(yáng)極為Ni+ZrO2(Y2O3)，陰極為L(zhǎng)a/SrMnO3。電解質(zhì)允許氧離子自由通過(guò)，而不允許氫離子和電子通過(guò)。其電子導(dǎo)電性很差，低溫時(shí)比電阻很大，因此，工作溫度要維持在800～1000℃才能有較高的發(fā)電效率。從而要求采用高溫密封材料。其優(yōu)點(diǎn)是高效，耐CO，可以不用貴金屬催化劑。缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，工作溫度高，帶來(lái)材料耐高溫，耐腐蝕問(wèn)題。

還有一種分類(lèi)方法是按電池工作溫度對(duì)電池進(jìn)行分類(lèi)[9]，可分為：低溫燃料電池(工作溫度一般低于100℃)，它包括堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池；中溫燃料電池(工作溫度一般在100℃～300℃)，它包括培根型堿性燃料電池和磷酸型燃料電池；高溫燃料電池(工作溫度在600℃～1000℃)，它包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。表1是各種類(lèi)型燃料電池的結(jié)構(gòu)特性[10-13]。