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离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。
同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。
电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。
当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。
阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。
电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。
为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。
燃料电池其原理是一种电化学装置,其组成与一般电池相同。
其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。
不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,因此,限制了电池容量。
而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。
因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。
电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。
以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池。
氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。
电极应为:负极:H2+2OH-→2H2O+2e-
正极:12O2+H2O+2e-→2OH-
电池反应:H2+12O2==H2O
另外,只有燃料电池本体还不能工作,必须有一套相应的辅助系统,包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(阳极)和空气极(阴极)、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。
在实用的燃料电池中因工作的电解质不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子(H+)相关,发生的反应为:
燃料极:H2==2H++2e-(1)
空气极:2H++12O2+2e-==H2O(2)
全体:H2+12O2==H2O(3)
在燃料极中,供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-,H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。
e-经由外部的负荷回路,再反回到空气极侧,参与空气极侧的反应。
一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路,因而就构成了发电。
并且从上式中的反应式(3)可以看出,由H2和O2生成的H2O,除此以外没有其他的反应,H2所具有的化学能转变成了电能。
但实际上,伴随着电极的反应存在一定的电阻,会引起了部分热能产生,由此减少了转换成电能的比例。
引起这些反应的一组电池称为组件,产生的电压通常低于一伏。
因此,为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。
组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离,采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件,PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。
堆的出力由总的电压和电流的乘积决定,电流与电池中的反应面积成比。
PAFC的电解质为浓磷酸水溶液,而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。
电极均采用碳的多孔体,为了促进反应,以Pt作为触媒,燃料气体中的CO将造成中毒,降低电极性能。
为此,在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量,特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。
磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是:燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物,CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。
经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应,借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。
相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒,以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用,而且还具有易于
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