燃料电池：类型和工作原理 Bashny.Net

燃料电池是一种设备，有效地产生直流电和热离氢燃料丰富的通过化学反应。

燃料电池类似于电池在于它产生直接电流通过化学反应。 再次，如电池、燃料elementvalue阳极和阴极电解液的。 然而，不同于电池、燃料电池不能积累电能源，不排放，并不需要电力再充电。 燃料电池能够连续生成的电力，只要他们有燃料和空气。 正确术语，用来描述的工作的一个燃料电池系统的元素，以完成工作所需存在的一些辅助系统。

不像其他的发电机，例如内燃发动机或涡轮机的操作上的天然气、煤炭、石油等等， 燃料电池不燃烧的燃料。 这意味着没有嘈杂的高压子，大声废噪声和振动。 燃料电池产生的电力通过一个沉默的化学反应。 另一个特性的燃料电池是他们转换的化学能量的燃料直接进入电力、热能和水。

燃料电池是高度有效，并不产生大量温室气体（如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。 唯一的产品释放的燃料元件中的水蒸汽的形式以及小批量的二氧化碳，这一般不是分配的，如果燃料的纯的氢气。 燃料元件收集到的程序集，然后在一个单独的功能模块。

 

工作原则的燃料电池的燃料电池生产电力和热由于正在进行的化学反应的电解质，阴极、阳极的。



该隔开阳极和阴极由电解质、执行的质子。 后氢去阳极氧阴极，开始化学反应，其产生的电流、热能和水。 在催化剂的阳极分子氢离和失去子。 氢离子(子)进行了通过电解质的阴极，而电子被忽略的解，并通过外部路，创造一个直流电可以用于电力设备。 在催化剂的阴极，氧的分子加入与电子(这是提供给从外部通讯)和附带一个质子，并形成水，这是唯一反应的产物(蒸汽的形式和/或液)。

以下的答复：

该反应在阳极:2H2=>4小时++4e
该反应在阴极：O2+4++4e-=>2H2O
一般反应的要素：2H2+O2=>2H2O

类型的燃料电池





就像存在的各种类型的内燃引擎，有不同类型的燃料电池选择的适当类型的燃料电池取决于其应用。燃料电池被分为高温和低温度。 低温燃料电池需要的燃料相对较纯的氢气。

这常常意味着需要燃料的处理以转换的主要燃料(例如天然气)成纯的氢气。 这一过程中消耗的额外能源和需要特殊的设备。 高温燃料电池不需要这种额外的程序，因为他们可以实施"转变"的燃料，在温度升高，这意味着不再需要的投资资金的氢基础设施。

 

燃料电池熔融碳酸盐(MCFC).





燃料电池具有熔融碳酸盐电解质是高温燃料电池。 高操作温度允许直接使用的天然气没有燃料处理器和气体燃料的低热量值燃料生产流程和从其他来源。 这个过程是发达国家在1960年代中期，自那时以来，已经改进的生产技术、性能和可靠性。

工作MCFC不同于其他燃料电池。 这些因素使用电解质组成的一个熔融碳酸盐的混合物。 目前，两种类型的化合物：碳酸锂和碳酸钾或碳酸锂和碳酸钠。 用于熔融碳酸盐和实现高度移动性的离子电解液的燃料电池熔融碳酸盐电解液发生在高温(650°C)。 效率不同范围的为60-80%。

当加热到一定温度的650°C，盐成为一个导的碳酸盐离子(CO32-). 这些离子通过从阴阳极，那里是一个结合与氢形成水，二氧化碳和免费的电子。 这些电子都是针对通过外部路回阴极，这将产生电流，并作为一个副产品。

反应阳极:CO32-+H2=>H2O+CO2+2e-
该反应在阴极：CO2+1/2O2+2e-=>CO32-
一般反应的要素：H2(g)+1/2O2(g)+CO2(阴)=>H2O(g)+CO2(阳)

高操作温度燃料电池熔融碳酸盐电解质中都具有某些优势。 在高温下，内部改革的天然气，这就消除了需要用于燃料处理器。 此外，其优点包括使用可能性的标准的建筑材料，例如不锈钢板和镍的催化剂在电极上。 产品的热量可用来产生蒸汽压力高于各种工业和商业目的。

高的反应温度在电解质也有自己的优势。 使用温度高，需要大量时间实现最佳的工作条件，该系统应更缓慢的变化，能源消耗。 这些特性使用安装在燃料电池熔融碳酸盐电解质的条件下恒定的功率。 高温下防止损害的燃料电池中的氧化碳的"中毒"，等等。

燃料电池熔融碳酸盐电解质中适用于大型固定设施。 工业生产热和安装电源输出电力的2.8兆瓦。 开发安装与输出功率达到100MW。

 

燃料电池，基于磷酸(PCTA).





燃料电池根据磷(正磷)酸是第一个燃料电池用于商业用途。 这个过程是发达国家在1960年代中期，测试进行了1970年代，自那时以来，已经增加稳定性、性能和降低成本。

燃料电池根据磷(正磷)酸是使用电解质基于磷酸(H3PO4)的浓度达到100％。 离子传导性磷酸为低在较低的温度，因为这个原因，这些燃料电池是用于在温度高达150-220°C。

载费在燃料电池的这种类型的氢(H+、质子的)。 一个类似的过程需要的地方，在燃料的细胞膜的交流的质子(MOPTA)，其中氢提供给极分裂成质子和电子。 质子通过电解质，并结合与氧气来自空气的在阴极成水。 电子都是针对通过外部路，这将产生电流。 以下是反应，这产生电流和热量。

该反应在阳极:2H2=>4小时++4e
该反应在阴极：O2(g)+4++4e-=>2H2O
一般反应的要素：2H2+O2=>2H2O

效率的燃料电池根据磷(正磷)酸多40%是在生成电能。 合并产生的热量和电力，总的效率约85％。 此外，由于操作温度、废热可用于水加热和生成水蒸气在大气压力。

高性能热电厂对燃料的细胞基于磷(正磷酸)的合并产生热能和电能源的优点之一的这种类型的燃料电池。 该单元是一氧化碳的浓度大约1.5%，大大扩大了选择的燃料。 此外，CO2不影响的电解质和燃料电池操作的，这种类型的要素与reformirovaniyu天然燃料。 简单的设计，低程度的波动性电解液和高稳定性的优势，这种类型的燃料电池。

工业生产热和安装电源输出电力达到400千瓦。 安装的11兆瓦进行测试。 开发安装与输出功率达到100MW。

 

燃料的细胞膜的交流的质子(MOPTA)





燃料的细胞膜的交流的质子被认为是最好的燃料类型细胞生成的电力用于车辆能够替代汽油和柴油的内燃引擎。 这些燃料电池是第一次使用由美国国家航空航天局程序"双子座". 目前开发和展示的安装在MOPTA力从1瓦的要2千瓦。

电解质在这些燃料电池使用固体聚合物膜(塑料薄膜)。 当饱和有水这个聚合物发射的质子却没有进行电子。

燃料是氢，和载荷的氢离子(质子的)。 在阳极的氢分子分裂成氢离子(质子)和电子。 氢离子穿过电解质的阴极，而电子移动的外圈和生产电能。 氧气是从空中，被送到阴极，并结合与电子和氢离子形式用水。 在极的以下反应的发生：

该反应在阳极:2H2+4OH-=>4H2O+4e
该反应在阴极：O2+2H2O+4e-=>4OH-
一般反应的要素：2H2+O2=>2H2O

相比其他类型的燃料电池、燃料细胞膜的交流的质子生产更多能量在给定的体积或重量的燃料电池。 该功能允许他们是紧凑和光。 此外，工作温度低于100°C时，它可以让你快开始运作。 这些特点，以及能够迅速变化的输出能量只是一些特点，使这些燃料电池是第一候选人使用的车辆。

另一个优点是，电解质的行为作为一种固体，而不是液体物质。 保持气体在阳极和阴极容易使用固态电解质，因此，这些燃料电池更便宜的产生。 相比其他电解质、应用程序的固体电解质不会发生这样的困难，因为导向，有的是较少的问题由于腐蚀，这导致更大的耐久性的项目及其组成部分。

 

固体氧化物燃料的细胞(固体氧化物燃料电池)





固体氧化物的燃料电池是燃料电池最高操作温度。 工作温度范围可以从600°C至1000°C，其中允许使用不同类型的燃料而没有特别的预处理。 工作与这样高的温度下使用，电解质是一个薄的坚固的金属氧化物在陶瓷基底，经常的合金钇、锆，这是一个导的氧气离子(O2-). 技术的使用固体氧化物的燃料电池的开发由于1950年代，有两种配置：平和管状。

固体电解质提供了一个密封传递的气体从一个电极到另一个，而液电解质是位于多孔衬底。 载费在燃料电池的这种类型的氧气离子(O2-). 在阴极，分裂的氧分子从空中入氧气离子和四个电子。 氧气离子穿过电解质，并结合与氢，此产生的四个免费电子。 电子都是针对通过外部路，这将产生电流和废物的热量。

该反应在阳极:2H2+2O2-=>2H2O+4e
该反应在阴极：O2+4e-=>2O2-
一般反应的要素：2H2+O2=>2H2O

效率的生产电能源是最高的所有燃料电池中的约60%。 此外，高操作温度下允许为综合生产热能和电能产生高压水蒸汽。 该组合的高温燃料电池用涡轮允许创建混合燃料电池效率的增加产生电能高达70％。

固体氧化物的燃料电池操作温度很高(600°C–1000°C)，这需要相当长的时间实现最佳的工作条件，该系统应更缓慢的变化，能源消耗。 在这样的操作温度高，不需要转换器到恢复氢燃料热电厂操作与相对不纯洁的燃料而获得通过煤的气化或排，等等。 此外，这一燃料电池是特别适合于高功率，包括工业和大型中央发电厂。 工业模块，可与输出电力为100千瓦。

 

燃料电池直接氧化甲醇(PAMTA)

技术的使用燃料电池的直接氧化甲醇的经历一段活跃的发展。 她已经成功地建立了自身在该领域的供移动电话、膝上型计算机，并且还为创造便携式电源。 其目的是未来的应用程序的这些要素。

设备中的燃料电池的直接氧化甲醇类似于燃料的细胞膜的交流的质子(MOPTA)，即在电解质是一个聚合物和荷载体的氢离子(质子的)。 然而，液体甲醇(CH3OH)氧化中的存在水中，在阳极为CO2、氢离子和电子的，都是针对通过外部路，这将产生电流。 氢离子穿过电解液与氧气发生反应从空气和电子供给从外部电路的形式在水阳极。

该反应在阳极:CH3OH+H2O=>CO2+6++6e-
该反应在阴极：3/2O2+6++6e-=>3H2O
一个常见的反应的要素：CH3OH+3/2O2=>CO2+2H2O

发展这些燃料电池是发达国家在1990年代初期，在建立改进的催化剂，并感谢最近另一个创新已经提高功率密度和效率高达40％。

测试进行的温度范围为50-120°C。由于较低的运行温度，并不需要使用转换器、燃料电池的直接氧化甲醇是最好的候选人应用程序，如在移动电话和其他消费品、机动车辆。 所利用的这种类型的燃料电池的尺寸小，由于使用液体燃料，而不需要利用转换器。

 

碱性燃料电池(MTA)





碱性燃料电池(MTA)是一个最成熟的技术，在使用自1960年代中期，该机构的美国航天局程序阿波罗和空间的班车服务。 登上这些太空飞船、燃料电池生产电能源和饮用水。 碱性燃料电池是最有效的一个要素使用产生的电力，生成效率达到70％以上。

在碱性燃料电池中使用电解质，是一种水溶液氢氧化钾的含在一个多孔稳定的矩阵。 氢氧化钾的浓度可能会有所不同，具体取决于操作温度的燃料电池的范围而变化，从65°C至220°C所载费在STE是羟离子(OH-)，从阴极为阳极，在那里，它与氢反应生成水和电子。 水上获得极，回移到阴极，在那里再次产生的羟基的离子。 作为结果的一些反应发生在一个燃料电池，生产电力和作为副产品的热量：

该反应在阳极:2H2+4OH-=>4H2O+4e
该反应在阴极：O2+2H2O+4e-=>4OH-
总体反应：2H2+O2=>2H2O

利STA是，这些燃料电池是最廉价制造的，因为所需的催化剂在电极上可以任何物质，价格比那些用作催化剂的其他燃料电池。 此外，STA的工作在相对较低的温度和最有效的燃料电池的—这样的特征，因此可能有助于加速生成的电力和高燃料效率。

一个特征STA高灵敏度，以CO2可以包含在燃料或空气。 CO2反应生成的电解质、有毒物品迅速和严重降低了效率的燃料电池。 因此，使用STA是局限于封闭空间，例如空间和水下车，他们必须在纯的氢气和氧气。 此外，分子等有限，H2O和CH4，这是安全的其他燃料电池，和他们中的一些甚至是燃料是有害的STA。

 

聚合电解液的燃料电池(脑袋)





在这种情况下的一个聚合电解液的燃料电池聚合物膜包括聚合物纤维与水的区域，有导的水的离子的H2O+(质子，红色)重视自身的水分子。 水分子都是一个问题，因为慢离子交换。 因此，它需要一个高浓度的水中燃料和废电极，这限制了工作温度100°C。

 

Tverdokopchenye燃料电池(TCTA)





在tverdolystyh燃料电池的电解质(CsHSO4)不含水。 因此，工作温度为100-300°C的转的氧阴离子SO42-允许的质子(红色)移动如该图所示。

作为一项规则，坚韧的燃料电池是一个三明治在其中一个非常薄薄的一层tertogennogo化合物是位于两个紧握电极，以确保良好的接触。 当加热时，有机成分蒸发，留下通过的毛孔在电极，同时保持能力的众多联系人之间的燃料(或氧气在其它结束元)、电解液和电极。出版

 





类型的燃料电池操作温度的效率的发电燃料类型范围MCFC550-700°C50-70％的大多数类型的碳氢燃料中型和大型设施、FCTE100-220°C的35-40%纯的氢气大的安装MOPTA30-100°C35至50%纯的氢的小型配件固体氧化物燃料电池450-1000°C为45-70%用于大多数类型的碳氢化合物燃料的小型、中型和大型安装POMTE20-90°C的20-30%的甲醇安装的便携式，STA50-200°C的40-65%纯的氢气空间研究，皮特，30-100°C35至50%, 纯的氢的小配件

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资料来源：www.energy-units.ru/en_units.php