燃料电池基本原理




NO.012燃料电池基本原理燃料电池定义和特点:一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置;是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术;不受卡诺循环效应的限制,具有高的能量转化效率;几乎无排放,环境友好。燃料电池基本原理:燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成,其工作原理与普通电化学电池类似,燃料在阳极氧化,电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路,产生电流。各种燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池(PEMFC)PEMFC工作原理:质子交换膜型燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质,铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂,氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂,带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板,多种部件堆叠而成的电输出器件。PEMFC工作原理示意图PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂的作用下发生电极反应:该电极反应产生的电子经外电路到达阴极,氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生产水。生成的水不稀释电解质,而是通过电极随反应尾气排出。PEMFC的组成结构图PEMFC的发展简史20世纪60年代,美国首先将PEMFC用于双子星座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜,在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿命的短路,且还污染了电池的生成水,使宇航员无法饮用。其后,尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜,延长了电池寿命,解决了电池生成水被污染的问题,并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标,让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC),造成PEMFC的研究长时间内处于低谷。1983年,加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下,PEMFC取得了突破性进展: 采用薄的(50-150微米)高电导率的Nafion和Dow全氟磺酸膜,使得电池性能提高数倍;采用铂炭催化剂代替纯铂黑,在电极层中加入全氟磺酸树脂,实现了电极的立体化。阴极、阳极与膜热压到一起,组成电极-膜-电极“三合一”组件(membrane-electrode-assembly, MEA)。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻,并在电极内建
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