磷酸燃料电池原理

燃料电池的工作原理
燃料电池是一种按电化学原理，即原电池的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。

其单体电池是由电池的正极(即氧化剂发生还原反应的阴极)、负极(即还原剂或燃料发生氧化反应的阳极)和电解质构成，燃料电池与常规电池的不同之处在于，它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐内，不受电池容量的限制，工作时燃料和氧化剂连续不断地输入电池内部，并同时排放出反应产物。

以磷酸型燃料电池为例，其反应式为：
燃料极(阳极) H2→2H++2e-
空气极(阴极) 1／2O2+2H++2e-→H2O
综合反应式H2+1／2O2→H2O
以上反应式表示：燃料电池工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)，燃料(氢)在阳极被分解成带正电的氢离子(H+)和带负电的电子(e-)，氢离子(H+)在电解质中移动与空气极侧提供的O2发生反应，而电子(e-)通过外部的负荷电路返回到空气极侧参与反应，连续的反应促成了电子(e-)连续地流动，形成直流电，这就是燃料电池的发电过程，也是电解反应的逆过程。

燃料电池的类型，结构和工作原理美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。

”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。

燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。

它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

各种电池的结构和工作原理如下：1．磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。

正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。

磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150- 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。

其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。

磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。

虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。

磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池是乎将来也不会用于私人车辆。

2.溶化的碳酸盐燃料电池 (MCFC)溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。

当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。

磷酸盐型燃料电池1、原理1.1电极反应磷酸型照料电他(PAFC)以磷酸为电解质，具有耐转化燃料气及空气中的CO2，能力。

因此，与低温型AFC(燃料气中不允许含CO2和CO)及SPFC(燃料气中不允许含CO)相比，PAFC更能适应各种工作环境。

磷酸在水溶液中易解离出氢离子(H3PO4—H+十H2PO4-)，它能将阳极(燃料极)反应中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。

阳极：H2 —2H++2e-阴极：1/2O2+2H++2e- —H2O1.2三相电极作用原理磷酸型燃料电他的工作条件有以下几个方面:(1)工作温度PAFC的工作温度为453—483K。

选择这一温度范围的依据是磷酸的蒸汽压、讨料的耐腐蚀性能、电催化剂的耐co能力及电池特性。

研究表明，提7哥工作温度能使PAFc电池推效串更高。

(2)工作压力PAFC的工作压力为常压至零点几兆铂。

通常，对于小容量电他采用常压操作。

对于大容量PAPc电他堰，多采用加压操作。

与低压操作时情况相灶；、PAPC电他堰在较高压力下运行时，反应速率加快、发电效率提高。

对于加压操作曲PAFc系统，工作废力一般设定在o．7一o．8MPa。

(3)冷却方式包括水冷却式、空气冷却式与绝缘油冷却3种方式。

(4)燃料利用率P观的燃料利用率为70％一80％。

所谓燃料利用率指的是在燃料电他内部转化为电能的氢气量与燃料中所含的氢气量之比。

(5)氧化剂利用率PAFl：的氧化剂利用率为50％一60％。

以空气作氧化剂为例，空气中氧含量约为21％，50％一60％的氧化剂利用率指的是空气中的氧有50％一60％在燃料电池内被消耗掉。

(6)反应气组成典型的转化燃料气中约含80％Hz、20％c02以及少量CH4、C()与硫化物。

磷酸型燃料电池的特点与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与固体氧化物燃料电池(SOFC)相比，PAPC具有以下优缺点。

(1)优点磷酸型燃料电池的优点是：能在低温下发电，而且稳定性良好；余热利用中获得的水可宜接作为人们日常生活用热水；起动时间短。

磷酸燃料电池张展 U201110226 物实1101—以下摘录自计算机网络磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC ）以磷酸为电解质，以贵金属（通常为白金）作为电极来加速气体反应。

工作温度通常在150～220℃工作，磷酸燃料电池效率要比其它燃料电池低，约为40% 。

磷酸燃料电池工作原理本质是氧化还原反应，以氢气—氧气反应为例阳极半反应：阴极半反应： 总反应：反应示意图2H 2 2e H +-→+221222O H e H O+-++→22212H O H O +→与碱性燃料电池的比较优点：对 的承受力强是PAFC 的优点。

阳极通以富氢并含有 的重整气体。

缺点:一、在酸性电池中，氧的电化学还原速度比碱性电池中低得多。

为了减少阴极极化、提高氧的电化学还原速度，不仅须采用贵金属(如白金)作电催化剂，而且反应温度需提高。

二、酸的腐蚀性比碱强得多，除贵金属与乙炔炭黑外，现已开发的各种金属与合金材料(如钢)在酸性介质中均发生严重的腐蚀。

二、PAFC 材料电极材料：电极材料包括载体材料和电催化剂材料。

催化剂附着于载体表面，载体材料要求导电性能好、比表面积高、耐腐蚀和低密度。

PAFC 采用Pt/C 电催化剂，其技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳米级高分散的Pt 微晶。

铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散Pt ／C 电催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高（1）分散的Pt/C 电催化剂。

活性电催化剂铂是担载在碳材料上的，碳材料在PAFC 工作条件下是相对稳定的。

作为电催化剂的载体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含2CO 2CO量。

在各种碳材料中，仅有无定形的炭黑具有上述性能。

目前广泛使用的用作Pt/C电催化剂载体的炭黑是Cabot公司由石油生产的导电型电炉黑Vulcan XC-72。

三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特色燃料电池按燃料电解质的种类来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（ PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC)和质子互换膜燃料电池 (PENFC)五大类。

3.1 碱性燃料电池（ AFC ）碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包含航天飞机供给动力和饮用水。

.1 原理使用的电解质为水溶液或稳固的氢氧化钾基质，且电化学反响也与羟基（OH）从阴极挪动到阳极与氢反响生成水和电子略有不一样。

这些电子是用来为外面电路供给能量，而后才回到阴极与氧和水反响生成更多的羟基离子。

负极反响： 2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e-正极反响： O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-碱性燃料电池的工作温度大概80℃。

所以，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子互换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当蠢笨。

不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，所以可用于小型的固定发电装置。

好像质子互换膜燃料电池同样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其余杂质也特别敏感。

别的，其原料不可以含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反响生成碳酸钾，降低电池的性能。

.2 特色低温性能好，温度范围宽，并且能够在较宽温度范围内选择催化剂，可是才用的碱性电解质易受 CO2的毒化作用所以一定要严格出去 CO2，成本就偏高。

3.2 磷酸燃料电池（ PAFC）磷酸燃料电池（ PAFC）是目前商业化发展得最快的一种燃料电池。

正如其名字所示，这类电池使用液体磷酸为电解质，往常位于碳化硅基质中。

磷酸燃料电池的工作温度要比质子互换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加快反响。

其阳极和阴极上的反响与质子互换膜燃料电池同样，但因为其工作温度较高，所以其阴极上的反响速度要比质子互换膜燃料电池的阴极的速度快。

磷酸盐燃料电池原理和特征()字号显示：大中小 2006-09-18 13:04:57 来源：电子查询网l燃料电池发电装置中，除了可以直接供给氢气以外，也可以与沼气(marshgas/methane甲烷)，丙烷(prpaned)等按一定比例水蒸气混合而在触媒存在下，由加热使之反应改质，发生丰富的氢气。

对于含有矩阵状配置的电解质磷酸水溶液的燃料极(负极)给以这个改质的气体，改质气体中的氢，在白金触媒上，变成氢离子而放出电子。

氢离子在电解质中扩散到空气极，在空气极白金触媒上与氧气反应，而变成水。

用导线连接两极，电子流动，就向外部输出电力。

参照图1。

燃料电池把燃料(主要是氢)的氧化反应分成正极反应，和负极反应二个电气化学反应进行。

为此，而需要具备下列条件：(1)正极，负极两极之间的电子导电性高，电阻小。

(2)离子导电性高，电子导电性低的电解质与两极接触，电荷由离子从电解质中输出。

(3)氢气，氧气供给各自的电极，电极触媒(固体)，氢和氧(气体)，电解质(液体)的三相界面起反应。

(4)氢与氧的直接接触不发生。

电池本体(即单个电池)的输出电压在无负荷的状态下，为1[V]程度。

提高电流密度，通常设计以0.6—0.7[V/单个电池]为额定值。

无负荷状态与实际电压的差作为热能而放出。

并且，电池本体的发电效率不决定于电池面积，所以，燃料电池本质上即使是下容量的，也是高效率的。

实际使用上是按输出的需要，把数十个以至数百个电池本体串联而积成为电池组合体(stack)的。

2上述的磷酸盐燃料电池的特征如下：(1)排气清洁燃料并不燃烧，就发电，所以，几乎完全没有NO×，SO×污染大气物质参照图2。

图2各种燃料发电机与燃料电池发电排气污染大气物质的比较(2)发电效率高从来的内燃机发电装置是燃烧燃料驱动涡轮等机械能使发电机转换出电能的，能量损耗大。

但是，燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的，所以，能量变换损失少。

三、试简述五大类燃料电池的工作原理和各自的特点燃料电池按燃料电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。

3.1 碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。

3.1.1原理使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。

这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。

负极反应：2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e-正极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-碱性燃料电池的工作温度大约80℃。

因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。

不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。

如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。

此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。

3.1.2 特点低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是才用的碱性电解质易受CO2的毒化作用因此必须要严格出去CO2，成本就偏高。

3.2 磷酸燃料电池（PAFC）磷酸燃料电池（PAFC）是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。

正如其名字所示，这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。

磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。

其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。