谁能给我介绍一下氢氧燃料电池的结构和工作原理

【专家解说】：燃料电池的概念 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受"卡诺循环"的限制，能量转换效率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。 在燃料电池早期研究开发阶段，由于电池价格昂贵，一直没有得到推广应用，其主要应用是在航空航天领域。美国和前苏联曾经将氢氧燃料电池作为空间轨道站的电源广泛应用。通过多年的研究与开发，燃料电池的价格现已大幅度下降，并已逐步转向地面应用。如加拿大Ballard公司，德国Siemens公司建立了多座固定式燃料电池发电站。 近几年，随着实用型质子交换膜燃料电池(PEMFC)的开发成功，燃料电池再次成为各国政府和企业界关注的热点。各国政府及各大公司加大投资力度，开发成功了各种型号的PEMFC，并正在应用到或拟用到人们日常生活的各个方面，如电站、便携式电源、各种车辆用动力电源以及家用电源等。 目前，全世界每年用于燃料电池研究与开发的经费估计在8亿美元左右，除了美国、加拿大、日本、德国和意大利等工业国家外，许多发展中国家也在进行或着手进行燃料电池的研究与开发。 燃料电池的组成及工作原理 氢氧燃料电池装置从本质上说是水电解的一个"逆"装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。因此，燃料电池的基本结构与电解水装置是相类似的，它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。 图1是组成燃料电池的基本单元示意图。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。 燃料电池的工作原理如下(以磷酸型或质子交换膜型为例)： (1)氢气通过管道或导气板到达阳极； (2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为： H2→2H＋＋2e (3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极； (4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水，阴极反应为： 1/2O2+2H++2e→H2O 总的化学反应如下： H2+1/2O2→H2O 与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。 图1.组成燃料电池基本单元示意图 燃料电池的工作原理与普通电化学电池相类似，这里所说的电化学电池是指我们日常生活中常见的各种原电池或可充电电池，两者都是通过电化学反应将化学能直接转换为电能，这也正是大家将FuelCell称之为燃料电池的一个主要原因。 然而从实际应用来考虑，两者存在着较大的差别。 普通电池是将化学能储存在电池内部的化学物质中，当电池工作时，这些有限的物质发生反应，将储存的化学能转变成电能，直至这些化学物质全部发生反应。 对于原电池而言，电池所放出的能量取决于电池中储存的化学物质量，对于可充电电池而言，则可以通过外部电源进行充电，使电池工作时发生的化学反应逆向进行，得到新的活性化学物质，电池可重新工作。因此实际上普通电池只是一个有限的电能输出和储存装置。 而燃料电池则不同，参与反应的化学物质，氢和氧，分别由燃料电池外部的单独储存系统提供，因而只要能保证氢氧反应物的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能，当然产生电能的多少还要取决于整个燃料电池的寿命。从这个意义上说，燃料电池是一个氢氧发电装置，这也正是燃料电池与普通电池最大的区别。 燃料电池的分类 燃料电池，按照不同的分类标准，有不同的名称。如按工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料电池。然而目前通用的方法还是以燃料电池中最重要的组成部分，即电解质来划分。 电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。 表1列出了上述五种燃料电池的主要特点。 碱性燃料电池的电解质为浓氢氧化钾的水溶液，它有两个方面的作用： 一是作为电解质将OH－从阴极输送到阳极；另一方面是作为冷却剂。其工作温度为～80℃，且对CO2非常敏感。 质子交换膜燃料电池同样也属于低温型燃料电池，其工作温度为80～100℃，电解质为固体聚合物薄膜，此膜加湿后可将质子从阳极传送到阴极。上述两种燃料电池由于都在低温下工作，因此反应需要用铂作催化剂，通常铂是分散在碳黑中，必须指出的是，在此温度范围铂对CO非常敏感。 磷酸型燃料电池的工作温度在200℃左右，其电解质(H3PO4）也是将氢离子从阳极传送到阴极。磷酸型燃料电池和质子交换膜燃料电池对CO2都不敏感，因而二者都可以采用空气作氧化剂。 熔融碳酸盐燃料电池以含锂和钾的复合碳酸盐为电解质，通过从阴极向阳极的流动，进行物质和电荷的传递。由于不断地从阴极输送到阳极，因此阴极需要补充CO2，其工作温度大约在650℃，在这种温度下允许使用像镍一样的催化剂。 固体氧化物燃料电池的电解质采用以氧化钇为稳定剂的氧化锆，这种固体电解质在高温下(1000℃)将O2－从阴极运送到阳极，由于温度很高，因此这种燃料电池的电解质连同其他组件都由陶瓷材料制成。 表1.五种燃料电池的主要特征 燃料电池 典型电解质 工作温度(℃) 优点 缺点 转换效率(％) 碱性燃料电池 KOH H2O 80 (1)启动快 (2)室温常压下工作 (1)需以纯氧作氧化剂 (2)成本高 70 磷酸燃料电池 H3PO4 200 对CO2不敏感 (1)对CO敏感 (2)工作温度高 (3)成本高 (4)低于峰值功率输出时性能下降 40 固体氧化物燃料电池 ZrO2?Y2O3 1000 (1)可用空气作氧化剂 (2)可用天然气或甲烷作燃料 工作温度过高 >60 熔融碳酸盐燃料电池 Na2CO3 650 (1)可用空气作氧化剂 (2)可用天然气或甲烷作燃料 工作温度过高 >60 质子交换膜燃料电池 含氟质子交换膜 80～100 (1)寿命长 (2)可用空气作氧化剂 (3)室温工作 (4)比功率大 (5)启动迅速 (6)输出功率可随意调整 (1)对CO非常敏感 (2)反应物需要加湿 60 http://www.cenre.com/ZH/kejian/6/hx-01/5-5.htm http://www.chinaenvironment.co 参考文献：http://www.chinaenvironment.co