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1、第十章 固体氧化物燃料电池科学技术的飞速发展给人类的生活带来了极大的便利，同时也使得世界性的能源危机与环境污染日益严重，引起了各国政府及学术界的高度重视。1854年美国打出了世界上第一口油井，仅仅150年之后，由石油和煤支撑起的现代文明社会，已经清楚地察觉文明之下的危机,地球历经千万年乃至上亿年历史累积而成的宝藏，在这样的消耗速度下将会迅速枯竭，大气污染和酸雨等环境问题也困扰着人们。“能源革命”的呼声从世纪年代起就日渐高涨，而那正是石油消费量超过煤炭、成为新一代主体能源的时候。,到2007年，世界范围内一次能源消费结构 中，仍以化石类能源为主。 但化石类能源对人类的环境的污染很大。化石类资源有
2、限： 石油4060年；天然气50120年煤300年左右,表10.1 中国与世界主要国家一次能源构成,表10.2 2007年世界各国石油储存、开采与消费（亿吨）,2007年世界各国能源消费构成,作为解决问题的措施之一，各类替代清洁能源如太阳能、风能、氢能、核能、地热能、燃料电池等的研究受到了广泛的关注。燃料电池是继水力、火力、核能发电技术后的第四代发电技术，是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变成电能的高效发电装置。,一、什么是燃料电池？,电 能,化学能,动能,热能,传统发电技术,燃料电池,燃料电池是把化学能直接转换为电能的装置。燃料电池一般由阴极、电解质和阳极组成,阳极,电解质,阴极,燃
3、料,氧气,水、尾气,水、尾气,二、燃料电池（Fuel Cell）与电池(Battery)的定义、分类与异同点Battery and Full Cell 将化学能转换为电能；电池是能量存储装置；燃料电池是能量转换装置,电池分类,化学电池 一次电池：碱性电池、碳鋅电池、鋰电池、氧化銀电池、水銀电池 二次电池：鉛酸电池、镍鎘电池、镍氢电池、锂电池 燃料电池： 物理电池 太阳能电池 热感应电力电池 原子力电池,三、燃料电池的特点1、高效率理论上可达到90的转换率不受卡偌循环的限制发电的同时可以得到热水或蒸气,2、环境效益好据统计，因环境污染造成的死亡已经超过了战争的死亡人数！,表 10.3 普通发电技
4、术与燃料电池的污染的比较,3、操作性能好、灵活性强4、发展潜力大问题： 1、市场价格贵 2、高温时寿命及稳定性不理想 3、燃料电池技术还需发展,四、燃料电池的发展简史1839年：W.Grove进行了电化学实验，发 现电解硫酸时有氢气、氧气放出1894年：W.Ostwald证明：燃料的低温电化学氧化优于高温燃烧；电化学电池的能量转换效率高于热机,1933年：Baur提出以氢气为燃料，碱性电解质 为电解质。1950年： F.Bacon开发了多孔镊电极，试制成功第一个千瓦级碱性燃料电池系统。1960年： NASA的Apollo计划选用了 Fuel Cell 。 1970年： K.Kordesch装配
5、了氢空气碱性燃料电池的汽车。,燃料电池的核心部分是电解质材料，燃料电池的发展已经历了3个时代、五个大类：碱性燃料电池和磷酸燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池；固体氧化物燃料电池（SOFC）。,一般用燃料电池的电解质材料进行分类： 碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, AFC） 磷酸燃料电池（Phosphorous Fuel Cell, PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Fuel Cell, PEMFC） 固体氧化物燃料电池（Solid Oxide
6、Fuel Cell, SOFC）。,AFC主要用于空间科学；PAFC已经达到1.311 MW；MCFC and SOFC适合共发电；PEMFC发展很快，但成本高。,低溫型 PEMFC(80-100 0C)AFC(60-220 0C)PAFC(180-200 0C) 中溫型 MCFC(650 0C) 高溫型 SOFC(1200 0C),1、碱性燃料电池(AFC),AFC的优点,首先用于太空计划 使用KOH为电解质 使用非贵重金属为电极触媒种类多价格又便宜，例如银、镍等 操作时所需温度100oC250oC 化学反应快且转换效率好 电解质必须是液态,AFC的缺点,燃料必須是高純度的氢AFC电池的电解
7、质，易与空气中的二氧化碳結合形成氢氧化鉀，影响电解质的品质，导致发电性能衰退,2、质子交換膜燃料电池(PEMFC),PEMFC的优点 Polymer Electrolyte Membrane (PEMFC) Proton Exchange Membrane (PEFC),高电力密度、低重量、低体积 电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应之触媒（大部分为白金） 唯一液体是水，腐蚀问题小 操作温度低,介于80至100之间，安全上之顾虑较低 适用于交通工具、建筑物与小型小区,质子交換膜燃料电池的缺点,触媒白金价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升白金容易与一氧化碳反应而发生中毒现象，因此比较不
8、适合用在大型发电厂,PAFC示意图,3、磷酸型燃料电池,PAFC的优点,该燃料电池大都运用在大型发电机组上而且已商业化生产 电解质为100浓度磷酸 操作温度大约为150到220之间 温度高所以废热可回收再利用 触媒为白金,PAFC的缺点,白金价格昂贵电极容易受CO毒化成本居高不下,4、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC),MCFC的优点,电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐 电极方面使用具透气性之多孔质的镍。 操作温度约为600至700不需重组器 废热可回收再使用，发电效率高适合于中央集中型发电厂。 价格较低,MCFC的缺点,操作温度高导致电极容易腐蚀而减低使用寿命。,5、固体氧化物燃料电池 (SO
9、FC),第十章 固体氧化物燃料电池,SOFC的优点 发电效率高，直接把化学能转变为电能，不受卡诺循环限制，理论效率可达80%；可使用多种燃料：氢气、甲烷、天然气等 排放高温余热可进行综合利用，易于实现热电联产，燃料利用率高；,第十章 固体氧化物燃料电池,低噪声，低排放，是清洁能源；重量轻，体积小，比功率高（600W/kg）。有较高的电流密度和功率密度，较小的极化损失和欧姆损失；不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。,第十章 固体氧化物燃料电池,SOFC具有巨大的市场潜力，可用于发电，替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，实现热电联产将会产生极大的经济效益。SOFC还可以
10、用作医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电电源。大规模的SOFCs是单电池通过各种结构堆叠而成的电池组。,SOFC的缺点,操作温度高导致电池启动慢，需要更多的保温设备以维持电池高温不适用于交通工具与随身携带,表104 主要燃料电池及其特性,燃料电池发电容量与适用范围,其他燃料电池：,1） 直接甲醇燃料电池 以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流。优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。 其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。,直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼
11、解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。,直接甲醇燃料电池,世界最小的甲醇燃料电池 燃料电池理燃料电池,日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。 则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点,甲醇燃料电池,2、氢氧燃料电池,在酸性溶液中负极：H2+2H2O-2e2H3O+ 在碱性溶液中 负极：H2+2OH-2e2H2O 因此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢氧燃料电池的总反应可表示为：2H2+O2-H2O,这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃
12、料，而氧则是一种氧化剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，而正极上进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极”，它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称作“氧化剂电极”，燃料电池中常用的氧化剂是空气中的氧。,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。,再
13、生氢氧燃料电池将水电解技术（电能2H2O2H2O2）与氢氧燃料电池技术（2H2O2H2O电能）相结合氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。,燃料电池应用,新的水燃料电池将是世界上最小的具备2瓦输出能力的电池。 这种电池利用DoCoMo公司的recharger技术和Aquafairy公司的薄膜技术将水中的氢分离出来， 而放电时氢也发生化学反应重新变成水。 与锂离子电池相比， 水燃料电池的充电时间相当， 容量则大上数倍， 因此手机的待机时间也可以延长至数星期乃至一两个月， 通话时间也可以不再用小时计算。,东芝展出其设计研发的笔记本燃料电池，新型燃料电池采用甲
14、醇作为燃料，通过化学反映产生电能。与采用锂电池的东芝公司自己生产的笔记本电脑相比，50CC的甲醇可以连续使用5小时，超过锂电池两倍以上。,东芝展示的燃料电池供电的笔记本样机,日前，韩国的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持续使用10小时的笔记本燃料电池。 该燃料电池总体上比较便于携带。,日立近期开发出如AA电池一般大小的燃料电池，内藏50立方厘米的甲醇，能让普通的PDA产品坚持使用6-8个小时。,燃料电池汽车（FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle),燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，它所产生的副产品只有水和热。它摒弃了
15、复杂的变速箱等动力传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走。,燃料汽车示意图,燃 料 电 池 汽 车 的 特 点,1、效率高燃料电池汽车路试时可以达到4050%的效率而普通汽车只有1016%。燃料电池汽车总效率比混合动力汽车也要高。 2、环保燃料电池电动汽车仅排放热和水高效、环境友好的清洁汽车。 3、可持续发展燃料电池可节省石油。目前全世界对石油的依存度，超过警戒线30%，预计2020年60%。,燃料电池汽车的研发进展,在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污染法规渐趋严格，因此对低污染车辆之需求势必增加。因而汽车业界近年来一直致力于开发氢燃料电池车。
16、其中较为领先的有美国通用、日本丰田和本田等。 国内有上海的超越号，东风的楚天一号。,通用Hy-wire 氢动三号,由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。,通用Hy-wire氢动三号的电池组,通用汽车氢燃料电池车Sequel,Sequel可连续行驶300英里，且能够在10秒内由静止状态加速到60 英里/小时。车辆加速时备用高压锂电池系统可向三只驱动电机提 供额外动力；车辆刹车时锂电池系统可以用来储存刹车时回收的能 量以提高车辆的连续行驶能力。,奔驰公司的燃料电池车“B-Cell”。,马达输出功率达100kW以上。充氢压力为70MPa，持续行驶距离大约为400km。充电电池是锂电池，输出功率为20kW。,
