燃料電池的一般結(jié)構(gòu)為:燃料（負極）|電解質(zhì)（液態(tài)或固態(tài)）|氧化劑（正極）。在燃料電池中,負極常稱為燃料電極或氫電極,正極常稱為氧化劑電極、空氣電極或氧電極。燃料有氣態(tài)如氫氣、一氧化碳、二氧化碳和碳氫化合物,液態(tài)如液氫、甲醇、高價碳氫化合物和液態(tài)金屬,還有固態(tài)如碳等。按電化學強弱,燃料的活性排列次序為：肼>氫>醇>一氧化碳>烴>煤。燃料的化學結(jié)構(gòu)越簡單,建造燃料電池時可能出現(xiàn)的問題越少。氧化劑為純氧、空氣和鹵素。電解質(zhì)是離子導電而非電子導電的材料,液態(tài)電解質(zhì)分為堿性和酸性電解液,固態(tài)電解質(zhì)有質(zhì)子交換膜和氧化鋯隔膜等。在液體電解質(zhì)中應用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固體電解質(zhì)為無孔膜,薄膜厚度約為20μm。
燃料電池的反應為氧化還原反應,電極的作用一方面是傳遞電子、形成電流;另一方面是在電極表面發(fā)生多相催化反應,反應不涉及電極材料本身,這一點與一般化學電池中電極材料參與化學反應很不相同,電極表面起催化劑表面的作用。
在氫氧燃料電池中,氫和氧在各自的電極反應。氧電極進行氧化反應,放出電子,氫電極進行還原反應,吸收電子,總反應為:
O2＋2H2→2H2O
反應結(jié)果是氫和氧發(fā)生電化學燃燒,生成水和產(chǎn)生電能。由熱力學變量可得到以下理論電動勢和理論熱效率公式：
Eo=－(ΔG/2F)=1.23V
η=ΔG/ΔH=83.0％
式中,ΔG和ΔH分別為自由能變化和熱焓變化,F是法第常數(shù)。
燃料電池工作的中心問題是燃料和氧化劑在電極過程中的反應活性問題。對于氣體電極過程,必需采用多孔氣體擴散電極和高效電催化劑,提高比表面,增加反應活性,提高電池比功率。
氫在負極氧化是氫原子離解為氫離子和電子的過程,若用有機化合物燃料,首先需要催化裂化或重整,生成富氫氣體,必要時還要除去毒化催化劑的有害雜質(zhì)。這些反應可在電池內(nèi)部或外部進行,需附加輔助系統(tǒng)。正極中的氧化反應緩慢,燃料電池的活性主要依賴正極。隨著溫度升高,氧的還原反應有相當?shù)母纳�。高溫反應有利于提高燃料電池反應活性�?nbsp;
對于燃料電池發(fā)電系統(tǒng),核心部件是燃料電池組,它由燃料電池單體堆集而成,單體電池的串聯(lián)和并聯(lián)選擇,依據(jù)滿足負載的輸出電壓和電流,并使總電阻最低,盡量減小電路短路的可能性。其余部件是燃料預處理裝置、熱量管理裝置、電壓變換調(diào)整裝置和自動控制裝置。通過燃料預處理,實現(xiàn)燃料的生成和提純。燃料電池的運行或起動,有的需要加熱,工作時放出相當?shù)臒崃?由熱量管理裝置合理地加熱或除熱。燃料電池工作時,在堿性電解液負極或酸性電解液正極處生成水。為了保證電解液濃度穩(wěn)定,生成的水要及時排除。高溫燃料電池生成水會汽化,容易排除,水量管理裝置將實現(xiàn)合理的排水。燃料電池與化學電池一樣,輸出直流電壓,通過電壓變換成為交流電送到用戶或電網(wǎng)。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)通過自控裝置使各個部件協(xié)調(diào)工作,進行統(tǒng)一控制和管理。 |
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