燃料電池的一般結(jié)構(gòu)為:燃料（負(fù)極）|電解質(zhì)（液態(tài)或固態(tài)）|氧化劑（正極）。在燃料電池中,負(fù)極常稱(chēng)為燃料電極或氫電極,正極常稱(chēng)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?xì)浠衔?液態(tài)如液氫、甲醇、高價(jià)碳?xì)浠衔锖鸵簯B(tài)金屬,還有固態(tài)如碳等。按電化學(xué)強(qiáng)弱,燃料的活性排列次序?yàn)椋弘?氫>醇>一氧化碳>烴>煤。燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單,建造燃料電池時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題越少。氧化劑為純氧、空氣和鹵素。電解質(zhì)是離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)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(yīng)用微孔膜,0.2mm～0.5mm厚。固體電解質(zhì)為無(wú)孔膜,薄膜厚度約為20μm。
燃料電池的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng),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(yīng),反應(yīng)不涉及電極材料本身,這一點(diǎn)與一般化學(xué)電池中電極材料參與化學(xué)反應(yīng)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(yīng)。氧電極進(jìn)行氧化反應(yīng),放出電子,氫電極進(jìn)行還原反應(yīng),吸收電子,總反應(yīng)為:
O2＋2H2→2H2O
反應(yīng)結(jié)果是氫和氧發(fā)生電化學(xué)燃燒,生成水和產(chǎn)生電能。由熱力學(xué)變量可得到以下理論電動(dòng)勢(shì)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(wèn)題是燃料和氧化劑在電極過(guò)程中的反應(yīng)活性問(wèn)題。對(duì)于氣體電極過(guò)程,必需采用多孔氣體擴(kuò)散電極和高效電催化劑,提高比表面,增加反應(yīng)活性,提高電池比功率。
氫在負(fù)極氧化是氫原子離解為氫離子和電子的過(guò)程,若用有機(jī)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(shí)還要除去毒化催化劑的有害雜質(zhì)。這些反應(yīng)可在電池內(nèi)部或外部進(jìn)行,需附加輔助系統(tǒng)。正極中的氧化反應(yīng)緩慢,燃料電池的活性主要依賴(lài)正極。隨著溫度升高,氧的還原反應(yīng)有相當(dāng)?shù)母纳啤８邷胤磻?yīng)有利于提高燃料電池反應(yīng)活性。
對(duì)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(mǎn)足負(fù)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(yù)處理裝置、熱量管理裝置、電壓變換調(diào)整裝置和自動(dòng)控制裝置。通過(guò)燃料預(yù)處理,實(shí)現(xiàn)燃料的生成和提純。燃料電池的運(yùn)行或起動(dòng),有的需要加熱,工作時(shí)放出相當(dāng)?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(shí),在堿性電解液負(fù)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(shí)排除。高溫燃料電池生成水會(huì)汽化,容易排除,水量管理裝置將實(shí)現(xiàn)合理的排水。燃料電池與化學(xué)電池一樣,輸出直流電壓,通過(guò)電壓變換成為交流電送到用戶(hù)或電網(wǎng)。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)自控裝置使各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作,進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。 |
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