鉅大LARGE | 點擊量：578次 | 2021年07月17日
淺談燃料動力電池的技術原理
燃料動力電池是將燃料具有的化學能筆直變為電能的發電裝置。燃料動力電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料動力電池的正、負極本身不蘊含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料動力電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料動力電池就能持續地發電。這里以氫-氧燃料動力電池為例來說明燃料動力電池
氫-氧燃料動力電池反應原理這個反應是電解水的逆過程。電極應為：負極：H2+2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應：H2+1/2O2==H2O
另外，惟有燃料動力電池本體還不能工作，
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
非得有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。
燃料動力電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的用途是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。
在實用的燃料動力電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H+）相關，發生的反應為：
燃料極：H2==2H++2e-（1）
空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）
全體：H2+1/2O2==H2O（3）
在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分析成H+和e-，H+移動到電解質中與空氣極側供給的O2發生反應。e-經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e-不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能萌生，由此減少了轉換成電能的比例。引起這些反應的一組電池稱為組件，萌生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的方法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。
PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質為質子導電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促使反應，以Pt作為觸媒，燃料氣體中的CO將造成中毒，降低電極性能。為此，在PAFC和PEMFC使用中非得限制燃料氣體中含有的CO量，特別是關于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限制。
磷酸燃料動力電池的基本組成和反應原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此解決后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的用途迅速萌生電能和熱能。
相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料動力電池MCFC和SOFC則不要觸媒，以CO為重要成份的煤氣化氣體可以筆直作為燃料使用，而且還具有易于利用其高質量排氣構成聯合循環發電等特點。
MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現熔融狀態的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體，氣室的形成采用抗蝕金屬。
MCFC工作原理。空氣極的O2（空氣）和CO2與電相結合，生成CO32-（碳酸離子），電解質將CO32-移到燃料極側，與作為燃料供給的H+相結合，放出e-，同時生成H2O和CO2。化學反應式如下：
燃料極：H2+CO32-==H2O+CO2+2e-（4）
空氣極：CO2+1/2O2+2e-==CO32-（5）
全體：H2+1/2O2==H2O（6）
在這一反應中，e-同在PAFC中的情況相同，它從燃料極被放出，通過外部的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現了燃料動力電池發電。另外，MCFC的最大特點是，非得要有有助于反應的CO32-離子，因此，供給的氧化劑氣體中非得含有碳酸氣體。并且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內部改質，在電池內部筆直生成H2的辦法也已開發出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應生成H2，因此，可以等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。
SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構成了O2-的導電體Y2O3（氧化釔）作為穩定化的YSZ（穩定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用LaMnO3(氧化鑭錳)。隔板采用LaCrO3(氧化鑭鉻)。為了防止因電池的形狀不同，電解質之間熱膨脹差造成裂紋萌生等，開發了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料動力電池相同的平板型外，還有開發出了為防止應力聚集的圓筒型。SOFC的反應式如下：
燃料極：H2+O2-==H2O+2e-（7）
空氣極：1/2O2+2e-==O2-（8）
全體：H2+1/2O2==H2O（9）
燃料極，H2經電解質而移動，與O2-反應生成H2O和e-。空氣極由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料動力電池相同由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒用途的情況下即可筆直在內部將天然氣主成份CH4改質成H2加以利用，并且煤氣的重要成份CO可以筆直作為燃料利用。
