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TECHNICAL ARTICLES燃料電池是將燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置,其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部,因此,限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì),只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí),燃料和氧化劑由外部供給,進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入,反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除,燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池
氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為:負(fù)極:H2+2OH-→2H2O+2e-
正極:1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應(yīng):H2+1/2O2==H2O
另外,只有燃料電池本體還不能工作,
必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng),包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成,氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。
在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同,經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子(H+)相關(guān),發(fā)生的反應(yīng)為:
燃料極:H2==2H++2e-(1)
空氣極:2H++1/2O2+2e-==H2O(2)
全體:H2+1/2O2==H2O(3)
在燃料極中,供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-,H+移動到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路,再反回到空氣極側(cè),參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路,因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式(3)可以看出,由H2和O2生成的H2O,除此以外沒有其他的反應(yīng),H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上,伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻,會引起了部分熱能產(chǎn)生,由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件,產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此,為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離,采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定,電流與電池中的反應(yīng)面積成比。
PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液,而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體,為了促進(jìn)反應(yīng),以Pt作為觸媒,燃料氣體中的CO將造成中毒,降低電極性能。為此,在PAFC和PEMFC應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量,特別是對于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。
磷酸燃料電池的基本組成和反應(yīng)原理是:燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器,把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物,CO和水進(jìn)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(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極),同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。
相對PAFC和PEMFC,高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒,以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)用,而且還具有易于利用其高質(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。
MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)(通常是為Li與K混合的碳酸鹽)和上下與其相接的2塊電極板(燃料極與空氣極),以及兩電極各自外側(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等,電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體,形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)體,氣室的形成采用抗蝕金屬。
MCFC工作原理。空氣極的O2(空氣)和CO2與電相結(jié)合,生成CO32-(碳酸離子),電解質(zhì)將CO32-移到燃料極側(cè),與作為燃料供給的H+相結(jié)合,放出e-,同時(shí)生成H2O和CO2?;瘜W(xué)反應(yīng)式如下:
燃料極:H2+CO32-==H2O+CO2+2e-(4)
空氣極:CO2+1/2O2+2e-==CO32-(5)
全體:H2+1/2O2==H2O(6)
在這一反應(yīng)中,e-同在PAFC中的情況一樣,它從燃料極被放出,通過外部的回路反回到空氣極,由e-在外部回路中不間斷的流動實(shí)現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另外,MCFC的特點(diǎn)是,必須要有有助于反應(yīng)的CO32-離子,因此,供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且,在電池內(nèi)部充填觸媒,從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì),在電池內(nèi)部直接生成H2的方法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下,其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2,因此,可以等價(jià)地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力,隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。
SOFC是以陶瓷材料為主構(gòu)成的,電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯),它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)電體Y2O3(氧化釔)作為穩(wěn)定化的YSZ(穩(wěn)定化氧化鋯)而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)成金屬陶瓷,空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了避免因電池的形狀不同,電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等,開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外,還有開發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型。SOFC的反應(yīng)式如下:
燃料極:H2+O2-==H2O+2e-(7)
空氣極:1/2O2+2e-==O2-(8)
全體:H2+1/2O2==H2O(9)
燃料極,H2經(jīng)電解質(zhì)而移動,與O2-反應(yīng)生成H2O和e-??諝鈽O由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O。在SOFC中,因其屬于高溫工作型,因此,在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用,并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用。
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