【文章內(nèi)容簡介】 市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成 H CO 和 水蒸氣的混合物， CO 和水進一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成 H2和 CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進中原工學院畢業(yè)論文 6 入燃料堆的負極（燃料極），同時將氧輸送到燃料堆 的正極（空氣極）進行化學反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。 反應(yīng)方程如下： 陽極反應(yīng)： H2+2e →2H + 陰極反應(yīng)： 1/2O2+2H+ → H 2O+2e 總反應(yīng)： 1/2O2 +H2 → H 2O 磷酸燃料電池 在 較高的工作溫度對雜質(zhì)的耐受性較強，當其反應(yīng)物中含有12%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料電池照樣可以工作。磷 酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為 40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。 還 擁有許多優(yōu)點，例如構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池在將來不會用于私人車輛。在過去的 20 多年中，大量的研究使得磷酸燃料電池能成功地用于固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為 –20MW 的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學校和小型電站提供動力。 它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣 等低廉燃料，與堿性氫氧燃料電池相比，最大的優(yōu)點是它不需要 CO2 處 理設(shè)備。磷酸型燃料電池已成為發(fā)展最快的，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC) 熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell，首字母縮寫為 MCFC)，通常被稱為第二代燃料電池，因為預期它將繼磷酸鹽燃料電池之后進入商業(yè)化階段。 熔融碳酸鹽燃料電池的原理是：熔融碳酸鹽燃料電池采用堿金屬 (如 Li、 Na、K)的碳酸鹽作為電解質(zhì)，電池工作溫 度 為 873973K。在此工作 溫度，電解質(zhì)呈熔融狀態(tài)，載流子為碳酸根離子 (CO32)。典型的電解質(zhì)由摩爾分數(shù) 62% Li2CO3+38% K2CO3 (熔點 763K)組成。 MCFC 的燃料氣為 H2，氧化劑是 O2和 CO2。當電池工作時，陽極上的 H2與從陰極區(qū)遷移過來的 CO32反應(yīng)，生成 CO2和 H2O，同時將電子輸送到外電路 。而陰極上的 O2 和 CO2 與從外電路輸送過來的電子結(jié)合，生成碳酸根離子 CO32，反應(yīng)方程式如下 ： 陽極： 2H2+2CO32=2CO2+2H2O+4e 中原工學院畢業(yè)論文 7 陰極： O2+2CO2+4e=2CO32 總反應(yīng)： 2H2+O2+CO2 =2H2O+CO2 熔融碳酸鹽燃料電池的 優(yōu)點 如下 : （ 1）上作溫度高，電極反應(yīng)活化能小，無論氫的氧化或是氧的還原，都不需貴金屬作催化劑，降低了成本； （ 2）可以使用含量高的燃料氣，如煤制氣； （ 3）電池排放的余熱溫度高達 673K 之多，可用于底循環(huán)或回收利用，使總的熱效率達到 80%； （ 4）可以不需用水冷卻，而用空氣冷卻代替，尤其適用于缺水的邊遠地區(qū)。 缺點 如下 ： （ 1）高溫以及電解質(zhì)的強腐蝕性對電池各種材料的長期耐腐蝕性能有十分嚴格的要求，電池的壽命也因此受到一定的限制 ； （ 2）單電池邊緣的高溫濕 密封難度大，尤其在陽極區(qū)，這里遭受到嚴重的腐蝕 ，另外，熔融碳酸鹽的一些固有問題，如由于冷卻導致的破裂問題等； （ 3）電池系統(tǒng)中需要有循環(huán)，將陽極析出的重新輸送到陰極，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性。 固體氧化物燃料電池 (SOFC) 固體氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell，簡稱 SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電 池。 固體氧化物燃料電池 的原理： 固體氧化物燃料電池的電動勢來源于電池兩側(cè)不同的氧分壓。其單體電池是由正負兩個電極 (負極為燃料電極，正極為氧化劑電極 )以及電解質(zhì)組成。陽極、陰極的主要作用是導通電子和提供反應(yīng)氣體、產(chǎn)物氣體的擴散通道。固體電解質(zhì)將兩側(cè)的氣體分隔開來，由于兩側(cè)氧分壓的不同，產(chǎn)生了氧的化學位梯度，在該化學位梯度的作用下，在陰極獲得電子的氧離子經(jīng)固體電解質(zhì)向陽極運動，在陽極釋放出電子，從而在兩極形成電壓 。 陰極反應(yīng)（以 H2 為例）： O2 +4e=2O2 中原工學院畢業(yè)論文 8 陽極反應(yīng)： 2O2+2H2→ 2 H2O +4e 總反應(yīng)： 2 H2 + O2 = 2 H2O 從原理上講，固體氧化物燃料電池是最理想的燃料電池之一，因為它不僅具有其他燃料電池的高效與環(huán)境友好等特點，還具備如下優(yōu)點： （ 1）運行溫度高（一般為 800－ 1000℃ ），陰、陽極的化學反 應(yīng)速率大，并接近于熱力學平衡，電極處的極化阻抗小，可以通過大的電流密度，不需要貴重的催化劑； （ 2）由于固體氧化物電解質(zhì)的透氣性很低，電子電導率低，開路時電壓可以達到理論值的 96％； （ 3）由于 SOFC 運行溫度高，便于利用高溫廢氣，可實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高； （ 4）全固體結(jié) 構(gòu)，避免了液態(tài)電解質(zhì)對材料的腐蝕，解決了電解液的控制問題； （ 5）氧化物電解質(zhì)很穩(wěn)定，抗毒性好。電極有相對較強的抗污染能力； （ 6）可使用多種燃料，包括直接使用碳氫化合物； （ 7）不要求外圍設(shè)備條件，諸如不需要濕度控制、空氣調(diào)節(jié)等。 由于固體燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換效率及其與其它燃料電池相比所具有的上述優(yōu)越性，因此固體氧化物燃料電池被認為是二十一世紀最有前景的能源技術(shù)，多年來一直是各國研究的重點。 20 世紀 90 年代以后，在材料科學與工藝技術(shù)進步的基礎(chǔ)上，更是對 SOFC 所需的材料進行了深入的研究，目前各國下大力投入，開展這方面的研究工作，并可望早日實現(xiàn)商品化。 質(zhì)子交換膜燃料電池 (PENFC) 質(zhì)子交換膜燃料電池 (proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱 PEMFC)是一種 繼堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池后發(fā)展起來的第五代燃料電池。 中原工學院畢業(yè)論文 9 圖 2 質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu) 圖 2 是質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu) 。 在原理上相當于水電解的 “ 逆 ” 裝置，其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正 極。兩電極的反應(yīng)分別為： 陽極： 2H2→ 4H+ + 4e 陰極： O2 + 4H+ + 4e → 2 H2O 整體： 2H2 + O2→ 2 H2O + 能量 由于質(zhì)子交換膜只能傳導質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。 當電子通過外 電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為 。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在 ～ 1V 之間。將多個單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆 (簡稱電堆 )。 優(yōu)點 如下 ： （ 1）其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源 ； 中原工學院畢業(yè)論文 10 （ 2）質(zhì)子交換膜燃 料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等； （ 3）被公認為電動汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。 在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。 缺點： （ 1）制作困難、成本高，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高； （ 2）對溫度和含水量要求高， Nafion 系列膜的最佳工作溫度為 70～ 90℃ ，超過此溫度會使其含