燃料电池的反应原理,发展及应用前景

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1、燃料电池的反应原理，发展及应用前景燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能的装置，它不同于一次电池和二次电池，一次电池的活性物质反应完毕，就不能再使用。二次电池在充电时不能使用，而燃料电池只要不断地供给活性物质，就可以一直放出电能。它不受时间和空间的限制，应用非常便利。1燃料电池概述1.1燃料电池的发展历史1802年，霍姆富利·戴维（HumphreyDavy）报道过一个简单电池的结构，这种电池组能够使人有轻微触电的感觉。1839年Grove成功地使一个传统的电解水的实验进行逆反应。1889年蒙德（Mond）首次采用了燃料电池这一名称，并获得200A/m2电流密度。最早达到实用水

2、平的燃料电池是本世纪50年代英国剑桥Bacon制成的。他用高压氢、氧气制成功率为50kW的燃料电池，工作温度为423K。60年代，该种电池成功地应用于航天领域。目前，从节约能源和环保等角度看，作为工业用发电装置及汽车驱动力，已经从多方面对燃料电池进行实验装置的研究和试验，而且在很多方面已取得了长足的进展。1.2燃料电池的优点做为一种新型发电装置，燃料电池具有的优点在于：（1）电池直接发电，不受卡诺循环的限制，效率高；理论上，燃料电池的能量转化效率可超过80%。即使发电规模很小，也具有与大规模火力发电同等的发电效率。（2）部分负载效率高，对负载变化响应效率高。（3）不排出有害物

3、质，噪音低。对环境无污染，安全可靠性高。（4）操作简单，灵活，建设周期短。因而它可以安装在施工现场的附近作固定型或分散型电站，以减轻变电设备和变电损耗，充分利用排出的热量。燃料电池是一种不经过热量转化的发电方法，因此不必考虑大型的设备和设计很大的规模，可以把比较小型的固定型或分散型电池设备安装在需要的地方。这种电池的利用价值特别大，预计燃料总的热效率可达80%。1.3燃料电池的分类燃料电池可分为很多种类型。按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中

4、有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。2燃料电池的基础理论2.1燃料电池中的基本反应酸性电解液燃料电池反应过程如下：氢在催化电极上离解为氢离子和电子，氢离子通过电解液和气体阻挡层传输到氧电极催化剂的表面，与此同时，电子通过外电路进入到氧催化电极，氢离子、电子和氧在氧电极的催化层上生成水。对于碱性电解液的燃料电池，氢在氢催化电极上反应生成水和电子，电子通过外电路进入氧催化电极，此处的氧分子接受电子与水反应生成OH-，OH-再传输到氢催化电极。电极的总反应均可写为：2H2+O2→2H2O使用其它燃

5、料的燃料电池的反应原理相似，反应式可分别写为：CO：2CO+O2→2CO2CH4：CH4+O2→CO2+2H2O液肼：N2H4+O2→N2+2H2O固体碳：C+O2→C022.2燃料电池的能量转化效率分析通常，化学能转换为电能的途径为：a．燃料—产生蒸汽—汽轮机—发电机—电能b．燃料—内燃机—发电机—电能在以上两种转化途径中，由于化学反应通过热能做功必然受到卡诺循环的限制，转化效率不可能大于50%，能量又有较大损失，所以能量转化效率不高，大致为20%～45%。而燃料电池产生电能的途径为：燃料—燃料电池—电能，由少了若干中间过程，能量的转化效率高达80%以上。以氢、氧燃料电池为

6、例电池总反应为：2H2+O2→2H2O可逆电池的理论转化效率：η=ΔG/Δh=1-TΔS/Δh在T=298K，当生成气态水时，ΔG=-228.5kJ·mol-1,Δh=-241.7kJ·mol-1，带入上式，得η=94.5%。当生成液态水时，计算得η=83%。ΔG-反应的吉布斯自由能Δh-反应焓变T-绝对温度η-能量转化效率而燃料电池的实际转化效率与电池工作时的电流密度有关，用电流密度下的实际电压来代替平衡电压。由于随电流密度的增大，阴极和阳极的过电位增加，欧姆降增大，端电压减小，电池的实际效率比理论值低。3.燃料电池的反应原理燃料电池（FC）是一种等温进行、直接将储存在燃料

7、和氧化剂中的化学能高效（50%--70%）、无污染地转化为电能的发电装置。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。FC