燃料电池的组成
燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化 剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及 控制系统等几个子系统组成。
燃料电池的种类
燃类料 型碱电性池 燃碱电料性池电燃料池（磷 料酸 电A型 池F燃C）质 膜（子 燃a交 料l换 电kalin熔 盐e融 燃碳料fu酸电el c固物e体燃ll)氧料化电
50%~65%
使用温度 60~120 160~220 60~120 600~1000 600~1000
碱性燃料电池
工作原理
使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化 钾基质， 阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应：O2+2H2 →2H2O
静态排水法
在氢气室一侧设置一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩 散通过氢气室，进入排水膜在排水膜外侧冷凝并通过排 水腔排出
冷凝排水法
在氢气室一侧设置冷凝板，外侧的冷凝腔内流过冷却剂 ，生成的水灾冷凝板上冷凝成液态排出
电解质排水法
通过电解液的外部循环蒸发排水
AFC的性能优缺点
优点：
能量转化效率高 通常单位输出电压为0.8~0.95V ，能量转换效率高达60%~70%。
质子交换膜燃料氢电池(P、E天M然F气C) 煤(p气r、o沼ton 煤气、沼
氧化e剂xchan纯g氧e mem空b气rane f空u气el cell)气 空气
气 空气
固体氧化物燃料电池(SOFC) (solid oxide fuel
效率cell) 60%~90% 37%~42% 43%~58% 50%~
第五章 燃料电池
燃料电池的概述
燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃 料和氧化剂中的化学能连续不断地直接转化 为电能的电化学装置。
燃料电池在原理和结构上和普通电池（ battery）完全不同。燃料电池的活性物质是 存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧 化物就一直能发电，因而容量是无限的。而 电池的容量是有限的，活性物质一旦消耗完 ，电池的寿命就终止。
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。
碱性燃料电池工作示意图
AFC电极的制备工艺
AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液 、固三相界面。
双孔结构电极 电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与 气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层 内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细 孔层的电解 液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子 和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层 的合金骨架内传导 。
PAFC的结构
由多节单电池按压 滤机方式组装构成 电池组。PAFC的 工 作温度一般为 200℃左右 ，能量 转化率约在 40%， 为保证电池工作稳 定，必须连续地排 除废热。
PAFC的冷却系统
水冷排热
水冷可采用沸水冷却和加压冷却。沸水冷却时，水的用 量较少，而加压冷却则要求水的流量较大。水冷系统对 水质要求高，以防止水对冷却板材料的腐蚀。水中的重 金属含量要低于百万分之一，氧含量要低于十亿分之一
空气冷却
采用空气强制对流冷却系统简单，操作稳定。但气体热 容低，造成空气循环量大，消耗动力过大。所以气冷仅 适用于中小功率的电池组 。
绝缘油冷却
采用绝缘油作冷却剂的结构与加压式水冷相似，油冷系 统可以避免 对水质高的要求，但由于油的比热小，流量远大于水的 流量。
PAFC的关键材料
电催化剂
黏结型电极 是将亲水的导电体（ 如电催化剂材料铂 ／ 碳 ）与具有粘结能力的防水剂 （ 如聚四氟乙烯乳液 ）按比例混合制成电极。 它在微观尺度上是相互交错的 两相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内 部的扩散通道；由电催化剂构成 的亲水网络可以被电解 液充满浸润，它为水和OH- 提供通道的同时，也为电子 的传导提供通道。
Pt/C催化剂是PAFC常用的电极活性材料。
铂和过渡金属（V、Cr、Co等）和合金
电极结构
双极板
扩散层 平整层 催化层
电解质材料
浓磷酸溶液
隔膜材料
双极板的作用是分隔氢气和 氧气，并传导电流，使两极 导通。双极板材料是玻璃态 的碳板，表面平整无滑，以 利于电池各部件接触均匀。
磷酸型燃料电池(PAFC池) (phosp池horous池acid
英文fu简e称l ceAllF)C
PAFC
PEMFC MCFC
SOFC
电解熔质融碳氢溶酸氧液盐化钾燃料磷酸电池(M质 膜C子F渗C透) (m碳酸ol钾ten
固体氧化 物
燃料carbon纯a氢te fuel天c然e气ll)， 氢、甲醇 天然气、 天然气、
PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池 。
PAFC的工作原理
阴极反应： 阳极：
1/C2HO4阳2++22极HH2+O反+2→e应4-→H：H2H2+→2COO2H2 ++2eCH3HOH2→+H22OH+→+32He2+- CO2
阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O
总反应 1/2O2+2H2 →H2O
采用非铂系催化剂
化学性质稳定
缺点：
氧化剂中必须不含有CO2。 燃料中必须不含CO2 电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水
平衡。
磷酸盐燃料电池（PAFC)
PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂 ，浸有浓磷酸的SiC 微孔膜作电解质 ， Pt/C 作催化剂 ，工作温度 200℃ 。
AFC的பைடு நூலகம்化剂
常用的催化剂有
贵金属，包括铂、铑、金、银 贵金属合金 过渡金属，如钴、镍和锰等。
对催化剂的布置形式
直接制成电极如采用高比表面的镍作阳极，银粉 作阴极，电极本身具有催化性能
用高比表面的碳材料做电极基体，将贵金属催化 剂分散到碳基体上，形成具有催化活性的电极。
AFC的隔膜材料
一般采用石棉膜
由石棉纤维制备，分子式为3MgO·2SiO2·2H2O 石棉膜化学性能稳定，耐酸碱和有机物腐蚀，具
有均匀的孔结构，是电子的绝缘体。饱浸氢氧化 钾水溶液的石棉膜是离子 (OH－) 的良好导体，并 阻止水分子通过。
AFC循环系统
AFC的排水方法
反应气体循环法
通过循环一个或两个电极的反应气体，在外部冷凝成液 态水排出