鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：357次 | 2022年10月22日
淺談燃料動(dòng)力鋰電池的技術(shù)原理
燃料動(dòng)力電池是將燃料具有的化學(xué)能筆直變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料動(dòng)力電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料動(dòng)力電池的正、負(fù)極本身不蘊(yùn)含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料動(dòng)力電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料動(dòng)力電池就能持續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料動(dòng)力電池為例來說明燃料動(dòng)力電池
氫-氧燃料動(dòng)力電池反應(yīng)原理這個(gè)反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為：負(fù)極：H2+2OH-→2H2O+2e-
正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
電池反應(yīng)：H2+1/2O2==H2O
另外，惟有燃料動(dòng)力電池本體還不能工作，
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
燃料動(dòng)力電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)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(shí)用的燃料動(dòng)力電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H+）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：
燃料極：H2==2H++2e-（1）
空氣極：2H++1/2O2+2e-==H2O（2）
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
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(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)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(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能萌生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)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(yīng)面積成比。
PAFC的電解質(zhì)為濃磷酸水溶液，而PEMFC電解質(zhì)為質(zhì)子導(dǎo)電性聚合物系的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促使反應(yīng)，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(guān)于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制。
磷酸燃料動(dòng)力電池的基本組成和反應(yīng)原理是：燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和CO2。經(jīng)過如此解決后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極(燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的用途迅速萌生電能和熱能。
相對(duì)PAFC和PEMFC，高溫型燃料動(dòng)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(zhì)量排氣構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點(diǎn)。
MCFC主構(gòu)成部件。含有電極反應(yīng)相關(guān)的電解質(zhì)（通常是為L(zhǎng)i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(cè)流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質(zhì)在MCFC約600~700℃的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導(dǎo)電體。電極為鎳系的多孔質(zhì)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(jié)合，生成CO32-（碳酸離子），電解質(zhì)將CO32-移到燃料極側(cè)，與作為燃料供給的H+相結(jié)合，放出e-，同時(shí)生成H2O和CO2?；瘜W(xué)反應(yīng)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(yīng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)了燃料動(dòng)力電池發(fā)電。另外，MCFC的最大特點(diǎn)是，非得要有有助于反應(yīng)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(nèi)部充填觸媒，從而將作為天然氣主成份的CH4在電池內(nèi)部改質(zhì)，在電池內(nèi)部筆直生成H2的辦法也已開發(fā)出來了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份CO和H2O反應(yīng)生成H2，因此，可以等價(jià)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(gòu)成的，電解質(zhì)通常采用ZrO2(氧化鋯)，它構(gòu)成了O2-的導(dǎo)電體Y2O3（氧化釔）作為穩(wěn)定化的YSZ（穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電極中燃料極采用Ni與YSZ復(fù)合多孔體構(gòu)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(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋萌生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料動(dòng)力電池相同的平板型外，還有開發(fā)出了為防止應(yīng)力聚集的圓筒型。SOFC的反應(yīng)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(jīng)電解質(zhì)而移動(dòng)，與O2-反應(yīng)生成H2O和e-。空氣極由O2和e-生成O2-。全體同其他燃料動(dòng)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(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)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。
