燃料电池工作原理及发展前景

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燃料电池工作原理及发展前景

听到氢气，甲烷，一氧化碳你能想到什么？你会觉得燃烧它们可以烹饪出美味的佳肴？你会觉得在这寒冷的冬天燃烧它们会带给我们温暖？甚至你会觉得若是在蒸汽时代燃烧它们可以驱动笨重的蒸汽机车和轮船前往自己的目的地？你out了！在科技高速发达的今天，有一种高效又清洁的利用它们的方式——燃料电池。

首先我们对燃料电池进行一下基本的介绍：燃料电池是一种等温进行，直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效，无污染的转换成电能的发电装置。通过基本的介绍可知，燃料电池输出的是电能，在现实生活中电能是一种清洁的能源，利用电能的过程中没有任何污染产生，因此燃料电池输出的能源是清洁的。但是，燃料电池的发电过程是等温过程，可能会造成散热上的麻烦，这也是燃料电池的一个缺点。

燃料电池的发电原理和化学电源一样，由电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料（如氢气，甲烷，一氧化碳等）的氧化过程，阴极催化氧化剂（如氧等）的还原过程；导电离子在将阴，阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。由原理可以分析出，燃料电池的基本组成结构有：阴极，阳极，电解质三个基本单元。

燃料电池与常规化学电源不同，而更类似于汽油，柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池中，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断的向电池内输送燃料和氧化剂，排出反应物，同时也要排出一定的废热，以维持电池工作温度恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其储存能量的大小则由储存在储罐中的燃料和氧化剂的多少而决定。

下面我们以氢燃料电池为例具体分析一下燃料电池的工作原理：

氢氧燃料电池原理简图反应方程式：H212O2H2O；

燃料氢气在阳极在催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子（氢离子）释放到电解质中并生成自由电子在电路中产生电能；

氧化剂氧气在阴极在催化剂的作用下发生化原反应，生成阴离子（若是在酸性条件下则生成H2O，若是在碱性条件下则生成OH）释放到电解质中并接受由阳极产生的自由

电子从而完成电能的输送；

由阴，阳极反应产生的阴，阳离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的

专业：化学工程班级：化工1002 姓名：刘易杭学号：201744226

另一个电极上，生成反应产物并随未发生反应的反应物一起排到电池外；

由阳极发生氧化反应产生的自由电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应达到物质平衡和电荷平衡，这样外部用电器就获得了燃料电池所产生的电能。

说过了燃料电池的原理，下面我们说说燃料电池的分类。按工作温度可划分为低温燃料电池，中温燃料电池和高温燃料电池三大类。其中，低温燃料电池按照电解质的不同又可分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池和直接甲醇燃料电池。而中温燃料电池通常指的是熔融碳酸燃料电池，高温燃料电池通常指的是固态氧化物燃料电池。下面分别进行简要的介绍。

碱性燃料电池指的是其电解质溶液为强碱溶液，如NaOH溶液。则其正，负极反应分别为：负极：2H24OH4e4H2O；

正极：O22H2O4e4OH；

质子交换膜燃料电池是以质子交换膜作为电解质，其正，负极反应分别为：

负极：2H24e4H；

正极：O24H4e2H2O；

注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。若质子交换膜燃料电池的燃料为甲醇而不是由甲醇经过重整后的氢气，则称为直接甲醇燃料电池。实际上直接甲醇燃料电池属于质子交换膜燃料电池的一种。

磷酸燃料电池使用液体磷酸为电解质，其常温下为固体，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。则其正，负极反应分别为：

负极：2H24H2O4e4H3O；

正极：O24H3O4e8H2O；

熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。工作温度问600~700℃，因此被分类到中温燃料电池。则其正，负极反应分别为：

2 负极：2H22CO34e2CO22H20；

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正极：O22CO24e2CO3； 2

固态氧化物燃料电池使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质。其工作温度位于800-1000℃之间。因此被分类到高温燃料电池。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定，然而它们用来承受所产生的高温的建造材料却要昂贵得多。

最后，我们了解了氢氧燃料电池的工作原理及各种不同燃料电池的特性，根据 2

专业：化学工程班级：化工1002 姓名：刘易杭学号：201744226

这些特性，我们下面简要分析一下燃料电池的优点。首先，燃料电池能高效的把燃料和氧化剂转化成电能。由于只是在电极上发生一次催化作用而发生氧化，还原反应，所以能量损失少，效率高，优于其他的发电装置。其次，燃料电池的产物对环境没有污染，如氢氧燃料电池产物为水，甲烷燃料电池产物为水和二氧化碳，一氧化碳燃料电池产物为二氧化碳和水，对环境没有污染，是环境友好性发电装置。再次，燃料电池没有动态部件，整个发电过程是静态过程，有利于系统的稳定运行。最后，燃料电池有标准组件，可通过改变组件大小将改变其能量输出。输出功率可以从几瓦到几百万兆瓦。以实现燃料电池对不同场合都能适用。

燃料电池高效，无污染，适应能力强。是21世纪非常好的发电装置。腾讯网上发布了《中国首架纯燃料电池无人机首飞》的新闻。文章中指出，日前，由同济大学航空航天与力学学院、上海奥科赛飞机公司历时一年多时间共同研制的我国第一架纯燃料电池无人机“飞跃一号”，在上海奉贤海边首次试飞成功。该无人机可升至2000米以内高空，时速为30公里，可连续飞行两小时，非常适合用于环境监测、战场侦察等领域。由此可见，燃料电池的应用范围是非常广泛的。

老师，无意中在腾讯网上看见的新闻让我选定了燃料电池原理为自己大作业的主题，这篇文章来自老师上课传授的知识和在网上查阅的部分内容。老师一学期来辛苦的讲课对我帮助很大，让我了解了能源的分类，煤，石油，天然气，生物质能，氢能及超级电容器的部分知识，平时由于学生工作的原因没有全勤配合老师的教学，以后定将改正，这里也为我的过错向老师表达诚挚的歉意。能选上老师课也是我们师生的缘分，最后，祝老师工作顺利，身体健康，生活美满。

燃料电池的结构、发展与前景2017-04-07 06:55 | #2楼

燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站等方面也有应用，但高成本、低寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题。如果在民用领域实现燃料电池寿命与成本兼顾，那么燃料电池将会大面积普及。燃料的化学能转化为电能有以下途径：

由以上比较可以看出：在三种能量的转化过程中，只有燃料电池可以将化学能直接转化为电能，没有经历“热”的转化这一中间步骤，所以就不受卡诺循环效率理论的限制。它还与一般原电池、蓄电池不同的是化学原料（即参加电极反应的活性物质）并不贮存于电池内部，而是全部由电池外部供给。因此，原则上只要外部不断供给化学原料，正负极分别供给氧和氢（通过天然气、煤气、甲醇、汽油等化石燃料的重整制取）燃料电池就可以不断工作，将化学能转变为电能。因此燃料电池又叫“连续电池”。它是继水力、火力、原子能发电之后的第-四-代发电技术。

以第三代燃料电池—熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)为例说明它的基本结构。现行MCFC 电池的设计是基于平面矩形板组合，多个电池叠在一起产生所需电压，每个电池都具有相同的结构单元，包括阳极电流收集器、多孔阳极（基本材料为特种Ni 粉）、电解质基体（主要成分为LiAlO2, 填充Li2CO3+ K2CO3 ）、多孔阴极（主要成分为掺锂NiO）和阴极电流收集器。各个电池之间被一块隔离片分隔，隔离片起到分离气体和串联电流的作用。

在燃料电池的电极上发生如下反应:阳极反应: H2+ CO3-2 = H2O+ CO2+ 2e- ，CO+ CO3- 2= 2CO2+ 2e- (少量)交换反应: CO+ H2O= H2+ CO2。阴极反应:1/2O2+ CO2+ 2e- = CO3-2总反应:1/2 O2+ H2= H2O由此可见，燃料电池内发生的电化学反应实质就是氢气的燃烧反应，反应的生成物是水，因此，燃料电池几乎不污染环境。燃料电池包括质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池，碱性燃料电池，固体氧化物燃料电池及熔融碳酸盐燃料电池。

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自1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯起，燃料电池已经经历了1百多年的历程，由于能源与环境已成为人类社会赖以生存的重点问题，近20年来得到各国政府的普遍重视和大力发展，但是成本高和寿命短这两个瓶颈问题始终没有得到太好的解决。成本和寿命是相互联系的，同时满足两者需求是实现民用燃料电池应用所面临的主要挑战，航天飞机、潜艇动力用燃料电池目前国际上均已应用，在只侧重寿命、可靠性的特殊领域，现有燃料电池技术是可以满足应用需求的。因此，根据不同的应用背景采用不同的技术路线，是制定燃料电池技术发展战略的重要基础。

燃料电池有几个重要的应用领域：1、航天领域：早在上世纪60年代，燃料电池就成功应用于航天技术，由于燃料电池有轻质，高效的特点一直是没过航天技术的首选，并且以1965年研制成功的阿波罗号航天飞船为典型，在阿波罗号宇宙飞船1966年至1978年服役期间，总计完成了18次飞行任务，累积运行超过了10000h表现出良好的可靠性与安全性。除了宇宙飞船外，燃料电池在航天飞机上的应用是航天史上又一成功的范例。美国航天飞机载有3个额定功率为12kW的碱性燃料电池每个电堆包含96节单电池，输出电压为28V，效率超过70%。单个电堆可以独立工作，确保航天飞机安全返航，采用的是液氢、液氧系统，燃料电池产生的水可以供航天员饮用。从1981年首次飞行直至2011年航天飞机宣布退役，在30年期间里燃料电池累积运行了101000h，可靠性达到99%以上。

2、潜艇方面：燃料电池作为潜艇AIP的动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6艘在役FC-AIP 潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。

3、电动汽车：随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题。燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一，近20年来得到各国政府、汽车企业、研究机构的普遍重视，燃料电池汽车示范在国内外不断兴起。通过示范，车用燃料电池技术取得了长足的进展。近年来，燃料电池汽车在性能、寿命与成本方面均取得一定的突破。在性能方面，美国GM公司的燃料电池发动机体积比功率已与传统的四缸内燃机相当；在寿命方面，美国UTC Power公司的燃料电池客车至2011年8月已经累积运行了10000h，寿命指标已达到商业化目标; 在成本方面，各大汽车公司都致力于降低燃料电池Pt用量，经过不断地技术改进，美国GM公司一台94 kW的发动机，Pt用量从上一代的80 g降低到30 g，并计划2017年Pt用量再降低至1/3，达到每辆车Pt 用10 g。日本Toyota公司也宣布燃料电池发动机催化剂Pt 用量降低到原来的1 /3，预计2017年单车成本降低至50 000美元，并计划于2017年实现燃料电池汽车商业化。我国燃料电池汽车经过十几年的发展，取得了可喜的进步，国产PEMFC关键材料和部件的开发取得了重大进展，研制成功了高导电性及优化孔结构的碳纸、增强型复合质子交换膜、

高稳定性/高活性Pt-Pd 复合电催化剂及薄型全金属双极板等。经过膜电极技术的优化，电催化剂利用率得到大幅提高，流场优化提高了高电流密度下水管理能力，使额定工作点由0．66 V@ 0．5 A·cm-2提升至0．66 V@1．0 A·cm-2，比功率达到1300 W·L -1在同样功率输出情况下，体积和质量分别减小了一半。

4、燃料电池固定式分散电站：污染重、能效低一直是困扰火力发电的核心问题，燃料电池作为低碳、减排的清洁发电技术，受到国内外的普遍重视。燃料电池电站不同于燃料电池汽车，没有频繁启动问题，因此可以采用以下4种燃料电池技术，分别是磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。

5、备用电源与家庭电源：与现有的柴油发电机比较，燃料电池作为不间断备用电源，具有高密度、高效率、长待时及环境友好等特点，可以为电信、银行等重要部门或偏远地区提供环保型电源。家庭与一些公共场所大多采用1到5 kW 小型热电联供装置，家庭电源通常以天然气为燃料，这样可以兼容现有的公共设施，提供电网以外的电，废热可以以热水的形式利用，备用电源也可采用甲醇液体燃料。

6、燃料电池可移动电源、充电器：燃料电池作为小型可移动电源或二次电池的充电器，也是目前研发的热点．主要技术基础是采用直接甲醇燃料电池，即以甲醇为燃料，这种液体燃料具有携带方便、比能量高等特点。直接甲醇燃料电池初期是瞄准手机、笔记本电脑电源市场，旨在提供长待时电池，但在系统管理、小型化等技术方面还有待突破。目前用的最广的是直接甲醇燃料电池充电器，但是，直接甲醇燃料电池在技术方面还需要进一步解决寿命、稳定性等关键问题，性能有待进一步提升。重点是通过研制新型的阻醇膜、多元合金催化剂以及调变膜电极组件结构等，解决材料在运行过程中的稳定性与耐久性、系统水热管理等问题，并同时解决工程化实际问题。

燃料电池拥有很好的前景。中国稀土资源丰富，发展MCFC和SOFC技术具有十分有利的条件。应用氢气做燃料PEMFC已经商业化，在国外容量为3kW、5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭，数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。随着其商业化的发展，实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便，购一罐氢气可以发电数月。其次，中国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的末端，用电量不大。从商业角度考虑，架设高电压等级的线路是不合算的，但不架设又难以实现村村通电的目标。有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地的风能、太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。这样可以使投资更加合理，又提高电网的经济效益。第三，电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中外近年多次电网事故证明，在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电网的安全性。对于大规模的应用化石能源的电力系统来说，变长距离输电为长距离输气，应用大中小相结合的各种燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。同时燃料电池也有相应的缺点，燃料电池发电将增加管理的复杂性。一是燃料电池发的均是直流电，需变频后入网，如此将需要对谐波进行控制；二是价格管理，每一个小的系统与电网均有电量交换，需要进行合理的价格管理，这与其他新能源入网问题一样（如太阳能、风能、生物质能发电），入网电量小，管理量不小。

综上所述，燃料电池经过一百多年的发展已经日益趋向成熟化，在航天领域，潜艇领域已经有了充分的应用，在民用方面由于受到成本和寿命的制约，还处于示范阶段，所以作为电化学专业的学生，我们应该努力的学习燃料电池的知识，在未来我国大力推进燃料电池在特殊领域应用时可以投身到其中，增强我国的国防军事实力，同时解决寿命与成本兼顾问题的重任也落在了我们肩上，我认为从材料，部件，系统三个方面进行技术改进和创新，在环境友好的前提下尽可能的加快燃料电池民用商业化的步伐，减缓化石能源紧缺的危机。

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