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关于燃料电池的研究
摘要:能源问题一直是世界关注的焦点问题。目前常规一词能源主要是通过燃烧来利用,即
以热的形式直接或间接利用。因此,热与其他各种形式能量之间的相互转换便成为能量利用
的中心问题。化学反应是能量转换的重要途径,而化学电源--燃料电池具有高能量密度的特
性,是高效能量储存与转换的应用典范。本文着重总结了燃料电池的工作原理、结构、分类、
制备工艺及其应用等。
关键词:燃料电池工作原理结构分类制备工艺应用
燃料电池(FuelCell)被称为连续电池,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”。
燃料电池的概念是1839年G.R.Grove提出的,至今已有大约160年的历史。
(1)燃料电池的特点:
①能量转化效率高它直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不
受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核
电的效率大约在30%~40%。
②有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低,CO排放因能量转换效率高而大幅度降低,无
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机械振动。
③燃料适用范围广。
④积木化强规模及安装地点灵活,燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率
可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电,或是作为
小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
⑤负荷响应快,运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率,
而且电厂离负荷可以很近,从而改善了地区频率偏移和电压波动,降低了现有变电设备和电
流载波容量,减少了输变线路投资和线路损失。
(2)燃料电池的类型:
碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、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)、微生物燃料电池(MFCs)
一、碱性燃料电池(AFC):由法兰西斯·汤玛士·培根(FrancisThomasBacON)所发
明,以碳为电极,并使用氢氧化钾为电解质。
1、原理
氢氧燃料电池有两个燃料入口,氢及氧各由一个入口进入电池,中间则有一组多孔性石
墨电极,电解质则位于碳阴极及碳阳极中央。氢气经由多孔性碳阳极进入电极中央的氢氧化
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钾电解质,在接触后进行氧化,产生水及电子。H+2OH→2HO+e-
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电子经由外电路提供电力并流回阴极,并在阴极与氧及水接触后反应形成氢氧根离子。
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O+2HO+4e-→4OH
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最后水蒸汽及热能由出口离开,氢氧根离子经由氢氧化钾电解质流回阳极,完成整个电
路。
碱性燃料电池的化学反应式为:
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碱性燃料电池通常用氢氧化钾或氢氧化钠为电解质,导电离子为OH,燃料为氢。
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阳极反应:H+2OH→2HO+O标准电极电位为-0.0828V
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阴极反应:1/2O+H2O+2e-→2OH标准电极电位为0.401V
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总反应:1/2O+O+H→HO理论电动势为0.401-(-0.828)=-1.229V
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AFC的催化剂主要用贵金属铂、钯、金、银和过渡金属镍、钴
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