燃料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而燃料電池的正負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)只是個催化轉(zhuǎn)換元件因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器電池工作時燃料和氧化劑由外部供給進行反應(yīng)原則上只要反應(yīng)物不斷輸入反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個反應(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只有燃料電池本體還不能工作

燃料電池

必須有一套相應(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氣體流路的作用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）

全體H2+1/2O2==H2O（3）

在燃料極中供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-H+移動到電解質(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但實際上伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻會引起了部分熱能產(chǎn)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產(chǎn)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辦法獲得高電壓堆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為了促進反應(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應(yīng)用中必須限制燃料氣體中含有的CO量特別是對于低溫工作的PEMFC更應(yīng)嚴(yán)格地加以限制

磷酸燃料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)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負(fù)極燃料極同時將氧輸送到燃料堆的正極空氣極進行化學(xué)反應(yīng)借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能

相對PAFC和PEMFC高溫型燃料電池MCFC和SOFC則不要觸媒以CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應(yīng)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

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(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-同時生成H2O和CO2化學(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中的情況一樣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(xiàn)了燃料電池發(fā)電另外MCFC的最大特點是必須要有有助于反應(yīng)的CO32-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體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)部直接生成H2的方法也已開發(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為了避免因電池的形狀不同電解質(zhì)之間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)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電池一樣的平板型外還有開發(fā)出了為避免應(yīng)力集中的圓筒型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與O2-反應(yīng)生成H2O和e-空氣極由O2和e-生成O2-全體同其他燃料電池一樣由H2和O2生成H2O在SOFC中因其屬于高溫工作型因此在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內(nèi)部將天然氣主成份CH4改質(zhì)成H2加以利用并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利用