燃料电池及燃料电池汽车

2.4溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--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。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程 中发电。 2 CO H H O CO 2e 3 2 2 2 阳极反应： 2 2CO O 4e 2CO 2 2 3 阴极反应： 这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油 的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可 用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热 电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。 这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能 用于交通运输。
在电极上的这些反应如下： 阳极： 2H2 4H 4e 阴极： O2 4H 4e 2H2O 整体： 2H2 O2 2H2O 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低 温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的 一层薄的白金进行催化。 每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。 驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压， 将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存 储器。
2.1质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell--PEMFC）
质子交换膜燃料电池的关 键材料与部件为：1)电催化剂； 2)电极（阴极与阳极）；3）质 子交换膜；4）双极板。 工作时，氢在阳极被转变 成氢离子的同时释放出电子， 电子通过外电路回到电池阴极， 与此同时，氢离子则通过电池 内部高分子膜电解质到达阴极。 在阴极，氧气转变为氧原子， 氧原子得到从阳极传过来的电 子变成氧离子，和氢离子结合 生成水。右图是质子交换膜燃 料电池工作原理示意图
燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气， 电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（NaCO3、 K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。 发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极， 阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两 电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电 的回路。与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃 料电池就可以连续不断地产生电能。 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐 中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出 反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。 FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料 与氧化剂的量决定。
燃料电池及燃料电池汽车
Fra Baidu bibliotek 内容提要
燃料电池(Fuel Cell)的基本原理及组成 燃料电池的分类 质子交换膜燃料电池的特点及研发应用现状 燃料电池的发展趋势 燃料电池汽车基本结构及特点 燃料电池汽车的研发进展
1.1燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理
燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池 的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它 们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催 化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理 示意图。
500kw质子交换膜燃料电池
2.2碱性燃料电池（alkaline fuel cell--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。 碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似， 但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反 应： 阳极反应：2H 4OH 4H2O 4e 阴极反应：O2 2H2O 4e 4OH 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快， 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 车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的， 因此可用于小型的固定发电装置。
2燃料电池的分类
燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类 燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。 按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类： 1质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell--PEMFC） 2碱性燃料电池（alkaline fuel cell--AFC） 3磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell--PAFC） 4溶化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC) 5固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell--SOFC）
2.3磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell--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。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要 位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加 速反应。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。且较高的工作 温度也使其对杂质的耐受性较强。 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。优点是构造简 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。
1.2燃料电池系统组成
单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它 必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热 管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组 成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。 1 燃料电池组 2辅助装置和关键设备： (1)燃料和燃料储存器（包括碳氢化合物转化的重整器） (2)氧化剂和氧化剂存储器(3)供给管道系统和调节系统 （包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置） (4)水和热管理系统