2013燃料电池的分类及应用解析课件

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1、燃料电池：是继水力、火力和核能发电后新的高效发电技术，它是不经过燃烧直接将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的发电装置。,第四节 燃料电池,燃料电池起源格罗夫气体电池,1839年，格罗夫教授在采用Pt电极演示水的电解实验过程中，发现吸附了H2和O2的Pt电极可以释放出电能，当时称之为气体伏打电池，后来称之为格罗夫燃料电池。,3,三、燃料电池的发展史 1、1839年，英国Grove所进行的电解作用实验使用电将水分解成氢和氧是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。 2、燃料电池史早期的重要进展是由1932年剑桥大学的Francis Thomas Bacon博士完成的。主要改进如下： (1) 廉价的镍网代

2、替铂电极 (2) 碱性的氢氧化钾代替硫酸，减少腐蚀。 Bacon将这种装置叫做Bacon电池，它实际上是第一个碱性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC)。 1959年，Bacon制造出第一台能真正工作的5 kW燃料电池。上述发展为现代燃料电池的商业化奠定了基础。 3、质子交换膜电池 20世纪60年代初期，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）为寻求无人航天飞行提供动力的方法。1955年，通用电器公司（GE）的Willard Thomas Grubb改进了燃料电池设计，使用磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，和Leonard Niedrach一起发明了膜电极的方法，从而

3、制造出现在质子交换膜燃料电池。,燃料电池基本组成： 电极：多孔电极技术，电极可由具有催化活性的材料组成，也可只作为电化学反应载体和反应电流的半导体 电解质：水溶液、固体电解质或熔融盐 燃料：气体（氢气、甲烷、一氧化碳）、液体（甲醇等）、固体（金属及金属氢化物） 氧化剂：纯氧、空气、过氧化氢或卤素等,5,燃料电池的工作原理 （1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应： （2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为： （3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为： 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电

4、池就会连续不断地产生电能。,6,燃料电池的基本组成和结构 阳极、阴极、电解质和外电路,图1-3 燃料电池的基本结构原理,7,燃料电池中的基本问题（氢氧电极催化作用） 燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。 催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。 *评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电 导率和经济性。,燃料电池的特点,1.燃料来源广泛，可以供给来实现不间断发电。 2.高效清洁，无SOx、NOx排放，安全方便。 3.能量转换效率

5、高，不受卡诺循环的限制。 理论转化率为： 理论能量转换效率达8090%，由于可能从环境吸收能量，转换效率可以100%，但因有正负极极化、浓差极化、电解质欧姆降等，转换效率下降，但仍显著高于内燃机。,9,现代燃料电池的分类,1. 按电解质的特性不同 1.1 碱性燃料电池（AFC） 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 1.3 磷酸燃料电池（PAFC） 1.4 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 1.5 固体氧化物燃料电池（SOFC） 2. 按燃料类型分类 2.1 氢燃料电池 2.2 甲烷燃料电池 2.3 甲醇燃料电池 2.4 乙醇燃料电池,10,2.1 碱性燃料电池（AFC）,2.1.1 碱性染

6、料电池简介 碱性燃料电池是发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 负极反应： 正极反应： 工作温度大约80，启动快，生产成本低，但其电流密度仅为质子交换膜燃料电池的密度10-20%，在汽车中使用显得相当笨拙，可用于小型的固定发电装置。 碱性燃料电池对氢气中的CO和其它杂质也非常敏感，主要是催化剂中毒和电解液碳酸化，降低电池的性能。,11,图18 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）,12,1.2 AFC的优点 氧气转换效率高； 可以用非铂催化剂； 可以采用镍板做双极板。 1.3 AFC的缺点 碱性电解液容易形成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能。 电池的水

7、平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。,13,2.2 质子交换膜燃料电池 (Proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC） 质子交换膜燃料电池是由阳极、阴极和质子交换膜压制而成，阳极负载Pt、Pd催化剂发生氢氧化，阴极负载Pt/C催化剂，发生氧还原反应，质子交换膜作为电解质。电极反应如下： 阳极(负极)：2H2-2e = 2H+ 阴极(正极)：1/2O2+4e+4H+ = H2O 由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度

8、，通常在0.50.8 V 之间。 将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。,14,PEMFC结构示意图,15,PEMFC的电极常被称 为膜电极组件，它是 指质子交换膜和其两 侧各一片多孔气体扩 散电极（涂有催化剂 的多孔碳布）组成的 阴、阳极和电解质的 复合体。,图1019 膜电极结构示意图,16,17,电堆的核心是MEA组件和双极板。 MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。 双极板常用石墨板材料制作，具有高强度，不易变形，导电导热性能优良，与电极

9、相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约23.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。,18,2.2.2 质子交换膜燃料电池优点如下： (1) 发电过程不受卡诺循环的限制，能量转换率高； (2) 发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。 (3) 燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等。 被认为是电动汽车、固定发电站等的首选能源。 2.2.3 主要缺点如下： (1)制作困难、成本高，全氟物质的合成困难，成本高； (2)对温度和含水量要求高 Nafion膜的最佳工作温度为7090，阻碍了通过适当提高工作

10、温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题； (3)对甲醇和乙醇的渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。,19,质子交换膜燃料电池的应用 质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，经过多年的基础研究与应用开发，在汽车动力的研究方面已取得实质性进展。另外微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。,20,2.3 磷酸燃料电池 （PHOSPHORIC ACID FUEL CELL, PAFC）,2.3.1 磷酸燃料电池工作原理 以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负

11、电极的中温型(150220)燃料电池。它具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 电极反应如下： 阳极反应：H2-2e- 2H+ 阴极反应：1/2O2+ 2H+ 2e- H2O 总反应： H2+1/2O2 H2O,21,电池单体的开路电压为1V，一般设计工作电压为0.6 -0.7 V。实际使用上根据输出的需要，把数十个以至数百个电池单体串并联而成为电池组合体(stack)。,22,2.3.2磷酸燃料电池特点 (1) 排气清洁，发电效率高，燃料不经过燃烧过程直接发电，没有NOX和SOX。 (2) 噪音低，振动小，没有旋转机械的发电方

12、式。,23,2.3.3磷酸燃料电池应用 PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210）燃料电池，适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。 PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。,24,2.4熔融碳酸燃料电池（MCFC） 采用融化的碳酸盐（锂钾钠或者混合盐）电解质。当温度加热到650时，混合碳酸盐开始溶化，产生游离的碳酸根离子。氢气和碳酸根离子反应生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部

13、回路返回到阴极，在这过程中发电。阴极氧气和二氧化碳得到电子，再形成碳酸根离子。其发电效率很高，但材料耐氧化性要求也高。 阳极：H2+CO32- - 2e- H2O + CO2 阴极：CO2 + 1/2 O2 + 2e- CO32-,25,优点是该电池可以采用内部重整的天然气和石油来生成氢。由于工作温度高，可以采用廉价的金属镍代替铂，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%，加上其产生的热量，综合效率可高达80%。 缺点是该电池需要较长的时间加热才能达到工作温度，不能用于交通运输和分散型家庭发电。 目前的示范电池可产生高达2 MW的电力，50-100 MW容量的电力

14、设计业已提到议事日程。,26,2.5固体氧燃料电池 (SOLID OXIDE FUEL CELL，简称SOFC),它使用氧化钇稳定的氧化锆为固态电解质，在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置，属于第三代燃料电池的一种。目前被普遍认为是PEMFC相当的一种燃料电池。工作温度800-1000之间。电极反应： 阳极反应：H2 + O2- H2O + 2e- CO + O2- CO2 + 2e- 阴极反应: O2 + 4 e- 2 O2- 燃料电池在工作过程中定向促使氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（H2/CO）产生电能。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上

15、，从而完成循环。,27,该燃料电池可以承受CO的污染，无需燃料的外部重整制氢，因而还可以直接使用石油或天然气，甚至硫污染燃料。由于它们使用高温型固态电解质，因而相应的高温耐热材料及其制造成本比较昂贵。,28,2.5.3特点 SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下优点： 较高的电流密度和功率密度； 阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降； 可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂； 避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题； 能提供高质余热，实现热电联产，燃

16、料利用率高，能量利用率高达80左右，是一种清洁高效的能源系统； 广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构； 陶瓷电解质要求中、高温运行(6001000)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。,29,30,不同燃料类型的燃料电池及其原理,1，氢燃料电池； 2，甲烷燃料电池； 3，甲醇燃料电池； 4，乙醇燃料电池,31,3.1. 氢燃料电池 3.1.1 氢燃料电池工作原理 氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。,32,3.1.2 氢燃料电池的应用 在汽车上的应用 a.氢燃料电池车的工作原理是： 氢气在燃料电池的阳极板(负极)，经过催化剂(铂)的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板(正极)。 电子经外