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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