第246章 多孔质体
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,而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。 含有电极反应相关的电解质(通常是为li与k混合的碳酸盐)和上下与其相接的2块电极板(燃料极与空气极),以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等,电解质在mcfc约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体,形成了离子导电体。 电极为镍系的多孔质体,气室的形成采用抗蚀金属。 mcfc工作原理。空气极的o2(空气)和co2与电相结合,生成co32-(碳酸离子),电解质将co32-移到燃料极侧,与作为燃料供给的h 相结合,放出e-,同时生成h2o和co2。化学反应式如下: 燃料极:h2 co32-==h2o co2 2e-(4) 空气极:co2 12o2 2e-==co32-(5) 全体:h2 12o2==h2o(6) 在这一反应中,e-同在pafc中的情况一样,它从燃料极被放出,通过外部的回路反回到空气极,由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。 另外,mcfc的最大特点是,必须要有有助于反应的co32-离子,因此,供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。 并且,在电池内部充填触媒,从而将作为天然气主成份的ch4在电池内部改质,在电池内部直接生成h2的方法也已开发出来了。 而在燃料是煤气的情况下,其主成份co和h2o反应生成h2,因此,可以等价地将co作为燃料来利用。 为了获得更大的出力,隔板通常采用ni和不锈钢来制作。 sofc是以陶瓷材料为主构成的,电解质通常采用zro2(氧化锆),它构成了o2-的导电体y2o3(氧化钇)作为稳定化的ysz(稳定化氧化锆)而采用。 电极中燃料极采用ni与ysz复合多孔体构成金属陶瓷,空气极采用lamno3(氧化镧锰)。 隔板采用lacro3(氧化镧铬)。 为了避免因电池的形状不同,电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等,开发了在较低温度下工作的sofc。 第0239章预告无法解决的技术问题