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600~700c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