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1、2.1.1. 技术简介2.1.1.1, 燃料电池原理燃料电池是一种能量转换装置。它按电化学原理，即原电池（如日常所用的锌镒干电池）的工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。对于一个氧化还原反应，如：O+ R一 PO代表氧化剂，R代表还原剂，P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，一个为氧化剂O的还原反应，一个为还原剂R的氧化反应，若e-代表电子，即有:R - R + + e -R + +O + e - - PR +O一 P以最简单的氢氧反应为例，即为：H2 2H+ + 2e -1/2 O 2 + 2H + +2e- - H2OH2 + 1/2 O 2 H2O如
2、图1-1所示，氢离子在将两个半反应分开的电解质内迁移，电子通过外电路定向流动、作功并构成总的电的回路。氧化剂发生还原反应的电极称为阴极，其反应过程称为阴极负载图1-1燃料电池工作原理示意图其反应过程，对外电路依原电池定义为正极。还原剂或燃料发生氧化反应的电极称为阳极,过程称阳极过程，对外电路为负极。燃料电池与常规电池不同, 它的燃料和氧化剂不是贮存在电池内, 而是贮存在电池外部的贮罐中。当它工作时( 输出电流并做功时) ， 需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看, 它类似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂, 所
3、以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体, 即气体和液体。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。2.1.1.2. 特 点(1) 高效 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达8590%但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在 4060%勺范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%A上。(2) 环境友好当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的，由于燃料电池具有高的能量转换效率，其二氧化碳
4、的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物， 而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮的氧化物、硫的氧化物及二氧化碳等的排放。(3) 安静 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40 千瓦磷酸燃料电池电站4.6 米的噪声水平是60 分贝。而兆瓦和11 兆瓦的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55 分贝的水平。(4) 可靠性高碱
5、性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。2.1.1.3. 分 类迄今已研究开发出多种类型的燃料电池。最常用的分类方法是按电池所采用的电解质分类。 据此， 可将燃料电池分为：碱性燃料电池，一般以氢氧化钾为电解质。磷酸型燃料电池，质子交换膜燃料电池，以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质。熔融碳酸盐型燃料电池， 以熔融的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质。 固体氧化物燃料电池，以固体氧化物为氧离子导体， 如以氧化轨稳定的氧化错膜为电解质。有时也按电池温度对电池进行分类，分为低温（工作温度低于100C）燃料电池，它包括碱性与质子交换膜燃料电
6、池。中温燃料电池（工作温度在100300C）,它包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池。高温燃料电池（工作温度在6001000C）,它包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化 物燃料电池。各种燃料电池的发展状态见表1-1。表1-1燃料电池的技术状态类型电解质导电离子工作温度燃料氧化剂技术状态可能的应用领域碱性燃料电池KOHOH50200C纯氢纯氧1 100KW高度发展。局效。航天，特殊地面应用质子交换膜燃料电池全氟磺酸膜H室温100 C氢气，重整氢空气1 300KW高度发展。需降低成本。电汽车，潜艇动力，可移动动力源直接甲醇燃料电池全氟磺酸膜H+室温100 CCHOK空气1 1000W正在开发。攻关：
7、高活性醇氧化电催化剂；阻醇 渗透质子交换膜； 微型电池结构。微型移动动力源磷酸燃料电池H3POH100200C重整气空气1 2000KW高度发展。成本高，余热利用价值低特殊需求，区域性供电熔融碳酸盐燃料电池(Li,K)CO 3CO2-650700C净化煤气天然气重整气空气250 2000KW正在进行现场实验，需延长寿命区域性供电固体氧化O90010001 200KW区域供电，物燃料电的氧化错天然气电池结构选择，开 联合循环发池发廉价制备技术。电2.1.1.4. 应用燃料电池是电池的一种，它具有常规电池（如锌镒干电池）的积木特性，即可由多台电池按串、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池既适宜用
8、于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功用于载人航天飞行，作为Apollo登月飞船和航天飞机的船上主电源。证明了燃料电池高效、高比能量、高可靠性。以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台PC25 （ 200kW作为分散电站在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，而且也证明燃料电池高度可靠性，可以用作不间断电源。质子交换膜燃料电池可在室温快速启动，并可按负载要求快速改变输出功率，它是电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源的最佳候选者。以甲醇为燃料的直接甲醇型燃料电池是单兵电源、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源
9、。固体氧化物燃料电池可与煤的气化构成联合循环，特别适宜于建造大、 中型电站，如将余热发电也计在内，其燃料的总发电效率可达7080%熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气作燃料，适宜于建造区域性分散电站。将它的余热发电与利用均考虑在内，燃料的总热电利用效率可达 6070%燃料电池的工作原理告诉我们，当燃料电池发电机组以低 功率运行时，它的能量转化效率不仅不会像热机过程那样降低，反而略有升高。因此，一旦采用燃料电池组向电网供电，如今令人头痛的电网调峰问题将不复存在。2.1.1.5. 质子交换膜型燃料电池工作原理质子交换膜型燃料电池（PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，钳 /碳或钳-钉/碳为
10、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。图 4-1为PEMFC勺工作原理示意图。阳极催化层中的氢气在催化剂作PEMF阱的电极反应类同于其它酸性电解质燃料电池。用下发生电极反应2 - 2H+ + 2e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成水1/2 O2 + 2H + +2e- - H2O生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。阳极阴极图PEMFC的工作原理示意图由图4-1可知，构成PEMFC勺关键材料与部件为：1）电催化剂。2）电极（阴极与阳极）。3） 质子交
11、换膜。4）双极板。2.1.1.6. PEMFCt 池水管理对PEMFCI池组，水在氧电极生成，至今已开发出两种排水方法。一是靠氧腔排放尾气吹扫方法将液态水排出，称为动态排水。二是靠多孔导水阻气材料的毛细力将电池生成的 液态水导入水腔排出，称为静态排水。PEMFCJ态排水 在氧电极催化层生成水，通过氧电极的扩散层，在电极扩散 层表面以细小水滴形式存在，这些细小水滴在氧气的吹扫下，通过电池组共用管道与排放尾气一起排出电池组。为提高氧气的吹扫能力，在流场设计时应尽可能提高氧气在流场内的线速度，所以对PEMFCfe池组，多采用蛇形流场。以提高氧气的线速度。pemfO态排水 静态排水需在电池组各节单池的
12、氧电极侧增加一个水腔,氧气室与水腔之间加由多孔材料构成的流场板，多孔材料的平均孔半径应小于氧电极扩散层的平均孔半径， 这样依靠毛细力将电化学反应在氧阴极生成水转 移至多孔材料内，再依靠氧气室氧压与水腔循环冷却水的压差将水排入水腔。PEMFCl池组反应气的增湿用作PEMFC:氟磺酸型质子交换膜的电导与其水含量密切相关。当膜中每个磺酸根结合的水分子少于4时，膜已不能传导质子。因此对PEMFC必须采取措施，确保质子交换膜处于水的饱和状态，保持较高电导。依据PEMFC：作原理，水在氧电极（阴极侧）生成，研究证明水在 MEArt迁移有下述三种方式：电迁移，水分子伴随质子从阳极向阴极电迁移，电迁移的水量与
13、电流密度和质子水合数有关。反扩散， 由于PEMFCK在阴极生成，在水浓度梯度推动下，水由阴极向阳极反扩散。反扩散的水量正比于水的浓度梯度和膜内水的扩散系数。压力迁移，在PEMFC运行中，一般阴极反应气（如氧气）工作压力高于阳极反应气（如氢气）的工作压力，在气 体压力差推动下，水由阴极侧向阳极产生宏观流动，即压力迁移。压力迁移的水量正比于压力梯度和水在膜中的渗透系数，反比于水在膜中的粘度。若进入电池的反应气不增湿，尤其在采用厚的Nafion膜（如Nafion117 膜）时,由于在氧电极侧生成的水向氢电极侧反扩散的不足，易造成氢电极侧（特别是入口处） 质子交换膜失水变干。当用空气作氧化剂时， 由于
14、通过电池的气量很大，氧电极入口处的质子交换膜亦会被吹干，造成电池的内阻大幅度上升，甚至难以工作。因此，进入电池组的反应气必须进行增湿处理。至今对PEMFCfe池组反应气增湿采用两类方法，一是内增湿，二是外增湿，对采用纯 氢或纯氧为燃料和氧化剂的电池组，还可采用尾气循环增湿。正在开发的新技术是自增湿。 2.1.1.7.电池组的热管理电池组热管理包括二方面内容，一是排出电池组废热，防止电池组内呈现热点，损坏电池组，保证电池组稳定恒温运行；二是有效利用排出电池组的废热，提高燃料利用率。为防止电池组呈现热点应尽可能用导热良好的材料制备电池组的另部件，尤其是双极板和流场。至今一般用金属或石墨制作电池组的双极板和流场，在电池组不出现异常（如对 PEMFC由于排水不正常，氧电极被水淹或增湿失效，大部份膜失水；对MCFC因盐流失导致电池局部微窜气等）电池组内不会出现热点。由于燃料电池能量转化效率一般在40-60%之间，因此为保持电池组恒温运行必须排出60-40%废热，否则电池工作温度将爬升。为此，对中低温电池，依据实测单池传热系数，通常在电池组内每2-3 节单池间加一块排热板，在排热板内通水、空气或绝缘油对电池组进行冷却，排出电池组废热。如对 PAFC最常用的是水冷。水冷又分沸水冷却与加压水冷却。采用沸水冷却时，电池的废热利用水的汽化潜热被带出电池。由于水的汽化潜热很大，所以
