燃料电池工作原理及性能研究

燃料电池工作原理及性能研究 1 2刘润茹, 王德军 ()1. 长春大学 应用理学院 , 吉林 长春 130022 ; 2. 长春大学 外国语学院 , 吉林 长春 130022 摘 要 : 详细地阐述了燃料电池的工作原理 、能量转换过程及性能特点 。并对燃料电池各种类型 进行对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 得出 SOFC 作为一种高效 、低污染的能源转换装置所具有的独特优势 。 关键词 : 燃料电池 ; SOFC ; 阴极 ; 阳极 ; 电介质+ 文献标识码 : A 中图分类号 : O472 16 于理想的可逆燃料电池 , 体系对外所作的非体积功 0 引 言 ) ( 仅为电功 : % G= - n EF 。 T , P 1839 年 , William Grove 爵士通过将水的电解过 式中 n 为 电 池 中 输 出 元 电 荷 的 物 质 的 量 , E 程逆转而发现了燃料电池的原理 。他能够从氢气和 为电池电动 势 , F 为 法 拉 第 常 数 。则 最 大 电 动 势 氧气中获取电能 , 但由于氢气不能在空气中自由地 ) ( E = - % G/ n F 。 : 为 T , P 得到 , 而采用其他的替代品又没有成功 , 所以这项 2 能量转换过程及性能特点 研究就被搁置了下来 。直到 20 世纪 60 年代 , 宇宙 目前普遍采用的发电方式大都要经过热机转 飞行的发展 , 才使燃料电池技术又提到议事日程上 换 。例如火力发电 , 需要经过三个能量转换过程 , 来 。出于对保护环境的能源供应的需求 , 激发了人 即 : 化学能 ?热能 ?机械能 ?电能 。 们对燃料电池技术的兴趣 。 其中热能与机械能的转换是通过涡轮机来实现 燃料电池是一个电化学系统 。它将化学能直接 的 , 涡轮机是一种热机 , 它是通过所谓卡诺循环来 转化为电能且废物排放量很低 。它由三个主要部分 工作的 。根据热力学卡诺循环的效率 , 就是热机转 η) ( 换效率的最高限为 : = T- T/ T, 其中 T为 高( ) 1 2 1 1 组成 : 第一部分为燃料电极 阳极; 第二部分为 温热源的温度 , 这里指推动涡轮机的水蒸气的温 度 ; () 电解液 ; 第三部分为空气/ 氧气电极 阴极。 1 燃料电池的工作原理 T为低温热源的温度 , 这里近似为工作环境 的温2 燃料电池的工作原理是从阳极处的氢气中抽取 度 。从式中可看出 , 要提高热机转换效率 , 应 尽量() 电子 氢气被化学氧化掉 , 或称 “燃烧掉了”。这 提高高温热源的温度而降低低温热源的温度 。 然些负 电 子 流 到 导 电 的 阳 极 , 同 时 , 余 下 的 正 原 子 而 , 高温热源的温度的提高受到材料 、加热方式 等() 氢离子通过电解液被送到阴极 。在阴极 , 离子 的限制 , 低温热源温度的降低 , 往往需要耗费更 多与氧气发生反应并从阴极吸收电子 。这一反应的产 的能量 , 成本上不合算 。所以 , 热机的转换效率 是品是电流 、热量和水 。由于燃料电池不会燃烧出火 受到限制的 , 这种限制 , 就是所谓的卡诺循环限 焰 , 也没有旋转发电机 , 所以燃料的化学能直接转 制 。由此 可 见 , 避 开 热 机 转 换 带 来 的 卡 诺 循 环 限 化为电能 。 () 制 , 无疑是提高化学能 即热能转换成电能的效 燃料电池作为化学能向电能转化的发电装置 , 率的有效途径之一 。燃料电池的出现 , 就提供了这 在能量转化的过程中 , 体系对外所作的电功是非体 样一种途径 , 它通过燃料与氧化剂的电化学结合过 积功 , 由发电过程中的吉布斯自由能变化决定 , 对 ( 成电能 , 即 : 化学能 ?电能 , 燃料电池避开了卡诺 SOFC 一 般 是 以 YSZ 8 %mol 种发 电 应 用 上 发 展 。 循环限制 , 因而其效率特别高 。 ) 钇稳定化氧化锆作为电介质 , Ni/ YSZ 金属陶瓷 () 为阳极 , 掺 锶 的 锰 酸 镧 LSM为 阴 极 , 理 论 上 , 3 燃料电池的类型 任何能产生电化学氧化和还原反应的气体都可以作 其名称与 目前 , 有 5 种已知的燃料电池类型 , 燃料 电 池 的 燃 料 和 氧 化 剂 。然 而 , 氢 是 目 前 用 于 采用的相应的电解质有关 。 SOFC 的最普遍的燃料 , 氢具有很高的电化学反应 () () 1碱性燃料电池 AFC———采用氢氧化钾 ( 溶 液 作 为 电 解 液 。这 种 电 解 液 效 率 很 高 可 达 活性 , 能从普通的燃料如碳氢化合物 、酒精或煤中 ) 60 %,90 %, 但对影响纯度的杂质 , 如二氧化碳 得到 。氧为燃料电池中采用的最普遍的氧化剂 , 因 很敏感 。因而运行中需采用纯态氢气和氧气 。这一 为氧可以很容易很经济地从空气中得到 。基于氢的 点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域 。 电化学燃烧的燃料电池采用的电介质是氧离子导体 () ( ) 2质子交换膜燃料电池 PEMFC———采用 极薄() 或氢离子 质子导体 。因此 , 现代固体氧化物燃 的塑料薄膜作为其电解质 。这种电解质具有高 功率 料电池可以分为两类 : 基于氧离子导体的和基于质 ———重量比和低工作温度 。是适用于固定和移 子导体的 , 两种形式主要不同在于燃料电池生成的 动装置的理想材料 。 (水在哪一面 质子导体燃料电池中 , 水在氧化剂电 () ( ) 3磷酸燃料电池 PAFC———采用 200 ?高 极形成 , 而在氧离子导体燃料电池中 , 水在燃料电 温下的磷酸作为其电解质 。很适合用于分散式的热 ) 极形成。某些气体 , 如一氧化碳也能用于燃料电 电联产系统 。 池的燃料 , 但不能用于质子导体的燃料电池中 。 () () 4熔融碳酸燃料电池 MCFC, 工作温度可 413 SOFC 的基本元件 达 650 ?。这种电池的效率很高 , 但对材料要求也 SOFC 的基本元件是电介质 、阳极 、阴极和连 高 。 接材料 , 每一种元件都必须在氧化和还原环境下有 () ( ) 5固体氧化物燃料电池 SOFC, 采用的是 ) (适当的稳定性 , 化学 、相 、界面及尺寸, 与其它 固态电解质 , 性能很好 。他们需要采用相应的材料 元件之间有化学匹配性 , 有适当的导电率 。另外 , 和 过 程 处 理 技 术 , 因 为 电 池 的 工 作 温 度 约 为 ( SOFC) 4 固体氧化物燃料电池 热膨胀系数的匹配也是非常重要的 , 否则 , 在制作 1000 ?。 411 SOFC 的优越性 过程中就会产生分离或开裂 。电介质和连接材料必 在这几 种 燃 料 电 池 中 , 固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 须致密以防气体的混合 , 同时阳极和阴极必须是多 ( ) SOFC是大功率 、民用型燃料电池的第三代 。它 孔的 , 以使气体及时到达反应区 。除了上述的要求 是一种燃料气和氧化剂气通过离子导电的氧化物发 外 , 从使用的角度看 , 还要求元件具有高强度和韧 生电化学结合而产生电能的全固态能量转化装置 。 性 、可 制 作 性 和 低 的 成 本 。另 外 , 对 某 些 电 池 设 与其它类型的燃料电池相比 , 具有很多优越性 : 计 , 元件必须经得起限定条件的考验 , 因为工艺条 () 1由于 SOFC 是全固体的电池结构 , 无使用 件对每个元件不能是独立选择的 , 例如 : 如果元件 液态电介质所带来的腐蚀和电解液流失等问题 ; 是一个接一个装上的话 , 每个接下来的元件的烧结 () 2高温工作时 , 电池排出的高质量的余热可 1 温度就应比前面装上元件的烧结温度低 , 以免改变 作陶瓷结构的更高的温度下也应匹配 。 充分利用 , 既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用进行 前一元件的微结构 。如果元件是在湿态下装上的 , 414 SOFC 的研究方向循环发电 , 能量综合利用效率可提高到 80 %以上 ; 那么所有的元件 必 须 在 相 同 烧 结 条 件 下 烧 结 。另 目前 , SOFC 的研究大致主攻两个方向 : 对传 () 3燃料适用范围广 , 不仅可以用 H、CO 等 2 外 , 元件不仅在工作温度下应相互匹配 , 而且在制 (统的 ZrO基 SOFC 的改进技术和对新型材料 如中 2 ( ) 燃料 , 而且可直接用天然气 甲烷, 煤气化气和 ) 温电介质材料 、电极材料等的研究 。后者的研究 其它碳氢化合物作为燃料来发电 。 目的是降低 SOFC 的操作温度 , 进一步提高 SOFC 412 SOFC 的构成 一般的 SOFC 采用氧离子导体或质子导体做电 用 。目前对 ZrO基 SOFC 的研究趋势是 : 提高系统 2 参考文献 : 的可靠性 ; 进一步扩大电池组规模 ; 将 SOFC 与汽 1 纪媛 . 中温固体氧化物燃料电池的电介质和电极材 ( ) 轮发电机 GT组成热电联产系统 , 利用 SOFC 排 料的制备及性能研究 D . 长春 : 吉林大学 , 2001. 出余热发电 。加压的 SOFC/ GT 系统 , 总效率可达 到 70 % 。 A research on f uel cellπs principle and perf ormance 1 2L IU Run2ru, WANG De2jun (1 . Applied Science Insititute , Changchun University , Changchun 130022 , China ; 2 . Foreign Languages Insititute , )Changchun University , Changchun 130022 , China Abstract : This paper expounds upon the the working principle , the procession of energy transformation and the characteristic performance . It also makes a contrastive analysis of various kinds of fuel cell . Then , it concludes that SOFC which is an energy transformation instrument with high efficiency and low pollution has a unique advantage . Key words : fuel cell ; SOFC ; negative pole ; positive pole ; dielectric ()上接第 66 页 On gracef ulness of K mn 1 2 3 PAN Wei, YAN G Li2xian, L IU Tie2jun (1 . Mathematics Academy , J ilin University , Changchun 130012 , China ; 2 . Applied Science College , Changchun )University , Changchun 130022 , China ; 3 . Business College , J ilin University , Changchun 130012 , China k Abstract : The paper presents a kind of unconnected graph ?Kwith regard to nutural , number k , m , n. By means of structural sym2 m , n i i i = 1 k ( bol function we prove that ?Kare both a graceful graph and an alternating one when max { m, n} ?3 and min { m, n} ?2 i m , n i i i i i i i = 1 k ) = 1 , 2 , ?, k. Therefore it is one of graceful graph methods to make ?Kof any kind , which broadens the graceful graph and its m , n i i i = 1 application. Key words : graph ; unconnected graph ; graceful graph ; alternating graph file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56