誰(shuí)能給我介紹一下氫氧燃料電池的結(jié)構(gòu)和工作原理

【專家解說(shuō)】：燃料電池的概念 燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。這種裝置的最大特點(diǎn)是由于反應(yīng)過(guò)程中不涉及到燃燒，因此其能量轉(zhuǎn)換效率不受"卡諾循環(huán)"的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60％～80％，實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。另外，它還具有燃料多樣化、排氣干凈、噪音低、對(duì)環(huán)境污染小、可靠性及維修性好等優(yōu)點(diǎn)。 在燃料電池早期研究開(kāi)發(fā)階段，由于電池價(jià)格昂貴，一直沒(méi)有得到推廣應(yīng)用，其主要應(yīng)用是在航空航天領(lǐng)域。美國(guó)和前蘇聯(lián)曾經(jīng)將氫氧燃料電池作為空間軌道站的電源廣泛應(yīng)用。通過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，燃料電池的價(jià)格現(xiàn)已大幅度下降，并已逐步轉(zhuǎn)向地面應(yīng)用。如加拿大Ballard公司，德國(guó)Siemens公司建立了多座固定式燃料電池發(fā)電站。 近幾年，隨著實(shí)用型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的開(kāi)發(fā)成功，燃料電池再次成為各國(guó)政府和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。各國(guó)政府及各大公司加大投資力度，開(kāi)發(fā)成功了各種型號(hào)的PEMFC，并正在應(yīng)用到或擬用到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，如電站、便攜式電源、各種車輛用動(dòng)力電源以及家用電源等。 目前，全世界每年用于燃料電池研究與開(kāi)發(fā)的經(jīng)費(fèi)估計(jì)在8億美元左右，除了美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)和意大利等工業(yè)國(guó)家外，許多發(fā)展中國(guó)家也在進(jìn)行或著手進(jìn)行燃料電池的研究與開(kāi)發(fā)。 燃料電池的組成及工作原理 氫氧燃料電池裝置從本質(zhì)上說(shuō)是水電解的一個(gè)"逆"裝置。電解水過(guò)程中，通過(guò)外加電源將水電解，產(chǎn)生氫和氧；而在燃料電池中，則是氫和氧通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能。因此，燃料電池的基本結(jié)構(gòu)與電解水裝置是相類似的，它主要由4部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。 圖1是組成燃料電池的基本單元示意圖。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，目的是用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)，電解質(zhì)可分為堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質(zhì)子交換膜型等五大類型。 燃料電池的工作原理如下(以磷酸型或質(zhì)子交換膜型為例)： (1)氫氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極； (2)在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫離子，即質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為： H2→2H＋＋2e (3)在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，同時(shí)，氫離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過(guò)外電路也到達(dá)陰極； (4)在陰極催化劑的作用下，氧與氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為： 1/2O2+2H++2e→H2O 總的化學(xué)反應(yīng)如下： H2+1/2O2→H2O 與此同時(shí)，電子在外電路的連接下形成電流，通過(guò)適當(dāng)連接可以向負(fù)載輸出電能。 圖1.組成燃料電池基本單元示意圖 燃料電池的工作原理與普通電化學(xué)電池相類似，這里所說(shuō)的電化學(xué)電池是指我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的各種原電池或可充電電池，兩者都是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，這也正是大家將FuelCell稱之為燃料電池的一個(gè)主要原因。 然而從實(shí)際應(yīng)用來(lái)考慮，兩者存在著較大的差別。 普通電池是將化學(xué)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)中，當(dāng)電池工作時(shí)，這些有限的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，直至這些化學(xué)物質(zhì)全部發(fā)生反應(yīng)。 對(duì)于原電池而言，電池所放出的能量取決于電池中儲(chǔ)存的化學(xué)物質(zhì)量，對(duì)于可充電電池而言，則可以通過(guò)外部電源進(jìn)行充電，使電池工作時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)逆向進(jìn)行，得到新的活性化學(xué)物質(zhì)，電池可重新工作。因此實(shí)際上普通電池只是一個(gè)有限的電能輸出和儲(chǔ)存裝置。 而燃料電池則不同，參與反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，氫和氧，分別由燃料電池外部的單獨(dú)儲(chǔ)存系統(tǒng)提供，因而只要能保證氫氧反應(yīng)物的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能，當(dāng)然產(chǎn)生電能的多少還要取決于整個(gè)燃料電池的壽命。從這個(gè)意義上說(shuō)，燃料電池是一個(gè)氫氧發(fā)電裝置，這也正是燃料電池與普通電池最大的區(qū)別。 燃料電池的分類 燃料電池，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，有不同的名稱。如按工作溫度來(lái)劃分，有低溫、中溫、高溫和超高溫燃料電池。然而目前通用的方法還是以燃料電池中最重要的組成部分，即電解質(zhì)來(lái)劃分。 電解質(zhì)的類型決定了燃料電池的工作溫度、電極上所采用的催化劑以及發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。 表1列出了上述五種燃料電池的主要特點(diǎn)。 堿性燃料電池的電解質(zhì)為濃氫氧化鉀的水溶液，它有兩個(gè)方面的作用： 一是作為電解質(zhì)將OH－從陰極輸送到陽(yáng)極；另一方面是作為冷卻劑。其工作溫度為～80℃，且對(duì)CO2非常敏感。 質(zhì)子交換膜燃料電池同樣也屬于低溫型燃料電池，其工作溫度為80～100℃，電解質(zhì)為固體聚合物薄膜，此膜加濕后可將質(zhì)子從陽(yáng)極傳送到陰極。上述兩種燃料電池由于都在低溫下工作，因此反應(yīng)需要用鉑作催化劑，通常鉑是分散在碳黑中，必須指出的是，在此溫度范圍鉑對(duì)CO非常敏感。 磷酸型燃料電池的工作溫度在200℃左右，其電解質(zhì)(H3PO4）也是將氫離子從陽(yáng)極傳送到陰極。磷酸型燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)CO2都不敏感，因而二者都可以采用空氣作氧化劑。 熔融碳酸鹽燃料電池以含鋰和鉀的復(fù)合碳酸鹽為電解質(zhì)，通過(guò)從陰極向陽(yáng)極的流動(dòng)，進(jìn)行物質(zhì)和電荷的傳遞。由于不斷地從陰極輸送到陽(yáng)極，因此陰極需要補(bǔ)充CO2，其工作溫度大約在650℃，在這種溫度下允許使用像鎳一樣的催化劑。 固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)采用以氧化釔為穩(wěn)定劑的氧化鋯，這種固體電解質(zhì)在高溫下(1000℃)將O2－從陰極運(yùn)送到陽(yáng)極，由于溫度很高，因此這種燃料電池的電解質(zhì)連同其他組件都由陶瓷材料制成。 表1.五種燃料電池的主要特征 燃料電池 典型電解質(zhì) 工作溫度(℃) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 轉(zhuǎn)換效率(％) 堿性燃料電池 KOH H2O 80 (1)啟動(dòng)快 (2)室溫常壓下工作 (1)需以純氧作氧化劑 (2)成本高 70 磷酸燃料電池 H3PO4 200 對(duì)CO2不敏感 (1)對(duì)CO敏感 (2)工作溫度高 (3)成本高 (4)低于峰值功率輸出時(shí)性能下降 40 固體氧化物燃料電池 ZrO2?Y2O3 1000 (1)可用空氣作氧化劑 (2)可用天然氣或甲烷作燃料 工作溫度過(guò)高 >60 熔融碳酸鹽燃料電池 Na2CO3 650 (1)可用空氣作氧化劑 (2)可用天然氣或甲烷作燃料 工作溫度過(guò)高 >60 質(zhì)子交換膜燃料電池 含氟質(zhì)子交換膜 80～100 (1)壽命長(zhǎng) (2)可用空氣作氧化劑 (3)室溫工作 (4)比功率大 (5)啟動(dòng)迅速 (6)輸出功率可隨意調(diào)整 (1)對(duì)CO非常敏感 (2)反應(yīng)物需要加濕 60 http://www.cenre.com/ZH/kejian/6/hx-01/5-5.htm http://www.chinaenvironment.co 參考文獻(xiàn)：http://www.chinaenvironment.co