燃料电池种类工作原理结构

燃料电池

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”。

燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（proton ）与电子（electron ），其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。

利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种 "发电机"。 阳极反应 - 阴极反应 总反应

伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。

燃料电池的分类

1 按燃料电池的运行机理分

根据燃料电池的运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。例如磷酸燃料电池(PAFC)和液态氢氧化钾燃料电池(LPHFC)。

2按电解质种类分

根据燃料电池中使用电解质种类的不同，可分为酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质的燃料电池。即碱性燃料电池(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(PEMFC)等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。

3按燃料类型分

燃料电池的燃料有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料和汽油、柴油以及天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。根据燃料电池使用燃料类型的不同，可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。

4按工作温度分

e H H 222+→+O H O e H 222122→+++O H O H 22222=+

根据燃料电池工作温度的不同，可分为低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200-750℃；高温型，温度高于750℃。质子交换膜燃料电池(PEMFC)在

常温下可以正常工作，这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂，燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。熔融碳酸盐燃料电池(M C F C)和固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温下作，这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大。

1 碱性染料电池

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。

阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-

阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-

总反应：O2+2H2 →2H2O

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铭感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为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。 2.磷酸燃料电池（PAFC ）

PAFC 采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂，浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作催化剂 ，工作温度 200℃ 。 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC ）是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO 毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。

阳极反应：H2+2e- →2H+ 阴极反应：1/2O2+2H+ → H2O+2e-

总反应： 1/2O2 +H2 → H2O

PAFC 是目前单机发电量最大的一种燃料电池。

由多节单电池按压滤机方式组装构成电池组。PAFC 的工 作温度一般为 200℃左右 ，能量转化率约在

40%，为保证电池工作稳定，必须连续地排除废热。

图9-10磷酸燃料电池结构和工作原理

电流

氢气 水

氧气 阳极 阴极

磷酸 负载 H

3熔融碳酸燃料电池（MCFC）

工作温度可达650℃。这种电池的效率很

高，但材料需求的要求也高。

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。

阳极反应：CO32- + H2 → H2O + CO2 +

2e-

阴极反应：CO2 + 1/2 O2 + 2e- → CO32- 电池反应：O2+2H2 →2H2O

四大优势：

①在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在阳极反应室进行甲烷的重反应，重整反应到所需热量由电池反应的余热提供；

②MCFC的工作温度为650~700℃，其余热可用来压缩反应气体以提高电池性能，可以用于

供暖；

③燃料重整时产生的CO 可以作为MCFC的燃料，且由于MCFC为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威胁；

④催化剂为镍合金，不使用贵金属。