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1、 网络教诲学院新能源发电课 程 设 计 题 目： 燃料电池运用 燃料电池运用燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中化学能转化为电能发电装置，被称为继水电、火电、核电之后第四代发电装置。国际能源界预测，燃料电池将是21世纪最有吸引力发电方式之一。一燃料电池发呈现状及原理1. 燃料电池发呈现状现今燃料电池在国内外已经被承以为此后动力技术发展大方向，美国、欧洲和日本各大汽车公司纷纷投入巨资进行燃料电池汽车研发和实验，各国政府也在政策法规上予以了极大支持。近期联合国开发筹划署（UNPD）出资在全球5个国家6个都市进行燃料电池公共汽车示范运营。斯图加特大学汽车系已经开设了燃料电池专门课程，可见燃料电池
2、技术在国外已经日趋成熟。戴姆勒-奔驰汽车公司从1993年到先后推出了NecarI到NecarV和Nebas等系列燃料电池概念车。在上文提到在欧洲已经开始实行“欧洲清洁都市运送项目（CUTE）”中戴姆勒-奔驰汽车公司功不可没。宝马车公司与德尔福公司合伙开发车用固体氧化物燃料电池（IFC），并将其运用在7系轿车。通用公司继AUTOnomy燃料电池概念车在底特律车展上亮相之后，又推出了Hy-Wire全新概念车， 该车安全极速可达到160公里/小时。此外，美国联邦快递公司从6月开始在东京都市区使用“氢动三号”作为邮件运送车辆。福特汽车公司采用最新混合动力电动汽车技术与先进新式燃料电池也已经打造出一款全
3、新高效率、零排放名为“焦点”（Focus）轿车。日本自起对燃料电池汽车实行免税制度以勉励其发展。丰田公司在底宣布在日、美销售燃料电池车，和日产合伙开发混合动力电动车。在国内对燃料电池研究已经被列入国家863筹划，当前有中华人民共和国科学院大连化学物理研究所燃料电池工程中心、清华大学和同济大学等三家学术科研机构积极开展对燃料电池研究工作，有报道说今年将有若干辆燃料电池实验车辆在上海和北京试运营。并且报道上说国内在燃料电池及电动车领域研究水平与发达国家相差无几，并且关于专家指出，国内完全有能力在这一领域赶超世界先进水平，咱们盼望着这一天早日到来。2. 燃料电池基本原理燃料电池是藉由电池内发生燃料燃
4、烧反映而将化学能转换为电能装置，负极除作为燃料与电解质共同接口，并对燃料氧化反映作催化；而正极则为氧气与电解质共同接口，亦对氧还原作催化。燃料电池因电解质不同而有不同名称，有磷酸型 ( PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸盐型 ( MCFC，melt carbonate fuel cell ) 与固态氧化物型 ( SOFC，solid oxide fuel cell ) 与质子互换膜型 ( PEMFC，proton exchange membrane fuel cell )等。对于以氢氧作燃料燃料电池反映示意图如 图一 所示，而其于碱性溶液中电极反映为：正极 1/2O
5、2 + H2O + e- - 2OH- 负极 H2 + 2OH- - 2H2O + e- 全反映 1/2O2 + H2 - H2O上述反映仅为氢氧燃料电池反映式，对所采用不同燃料反映亦将有所变化。而为加速电极反映，电极中普通会加入催化剂如铂，但铂在 150 时会被 CO 所毒化而失去催化效果，因而多加入铑或铱于铂之中。普通而言，对氧气最佳催化剂为少量含金或银铂钯混合物。此外，燃料电池将化学能转化为电能效率相称高，约为60%90%之间。此外，只有燃料电池本体还不能工作，必要有一套相应辅助系统，涉及反映剂供应系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池普通由形成离子导电体电解质板
6、和其两侧配备燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用燃料电池中因工作电解质不同，通过电解质与反映有关离子种类也不同。PAFC和PEMFC反映中与氢离子（H ）有关，发生反映为：燃料极：H2=2H 2e-（1）空气极：2H 1/2O2 2e-=H2O（2）全体：H2 1/2O2=H2O（3）氢氧燃料电池构成和反映循环图在燃料极中，供应燃料气体中H2分解成H 和e-，H 移动到电解质中与空气极侧供应O2发生反映。e-经由外部负荷回路，再反回到空气极侧，参加空气极侧反映。一系例反映促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成
7、了发电。并且从上式中反映式（3）可以看出，由H2和O2生成H2O，除此以外没有其她反映，H2所具备化学能转变成了电能。但事实上，随着着电极反映存在一定电阻，会引起了某些热能产生，由此减少了转换成电能比例。 引起这些反映一组电池称为组件，产生电压普通低于一伏。因而，为了获得大出力需采用组件多层迭加办法获得高电压堆。组件间电气连接以及燃料气体和空气之间分离，采用了称之为隔板、上下两面中备有气体流路部件，PAFC和PEMFC隔板均由碳材料构成。堆出力由总电压和电流乘积决定，电流与电池中反映面积成比。PAFC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膜。电极均采用碳多孔体，为了增进反
8、映，以Pt作为触媒，燃料气体中CO将导致中毒，减少电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必要限制燃料气体中具有CO量，特别是对于低温工作PEMFC更应严格地加以限制。磷酸燃料电池基本构成和反映原理是：燃料气体或都市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气混合物，CO和水进一步在移位反映器中经触媒剂转化成H2和CO2。通过如此解决后燃料气体进入燃料堆负极(燃料极)，同步将氧输送到燃料堆正极(空气极)进行化学反映，借助触媒剂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为重要成分煤气化气体可以直接作为燃料应用，并且还具备
9、易于运用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC主构成部件。具有电极反映有关电解质（普通是为Li与K混合碳酸盐）和上下与其相接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气室、电极夹等，电解质在MCFC约600700工作温度下呈现熔融状态液体，形成了离子导电体。电极为镍系多孔质体，气室形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极O2（空气）和CO2与电相结合，生成CO23-（碳酸离子），电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供应H 相结合，放出e-，同步生成H2O和CO2。化学反映式如下：燃料极：H2 CO23-=H2O 2e- CO2（4）空气极：CO2 1
10、/2O2 2e-=CO23-（5）全体：H2 1/2O2=H2O（6）在这一反映中，e-同在PAFC中状况同样，它从燃料极被放出，通过外部回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断流动实现了燃料电池发电。此外，MCFC最大特点是，必要要有有助于反映CO23-离子，因而，供应氧化剂气体中必要具有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成分CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2办法也已开发出来了。而在燃料是煤气状况下，其主成分CO和H2O反映生成H2，因而，可以等价地将CO作为燃料来运用。为了获得更大出力，隔板普通采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成，电解质普通
11、采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-导电体Y2O3（氧化钇）作为稳定化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)。为了避免因电池形状不同，电解质之间热膨胀差导致裂纹产生等，开发了在较低温度下工作SOFC。电池形状除了有同其她燃料电池同样平板型外，尚有开发出了为避免应力集中圆筒型。SOFC反映式如下：燃料极：H2 O2-=H2O 2e-（7）空气极：1/2O2 2e-=O2-（8）全体：H2 1/2O2=H2O（9）燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反映生成H2O和e-。空气极由O2和
12、e-生成O2-。全体同其她燃料电池同样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因而，在无其她触媒作用状况下即可直接在内部将天然气主成分CH4改质成H2加以运用，并且煤气重要成分CO可以直接作为燃料运用。二燃料电池构成及特点1. 燃料电池构成 在燃料某些，氢储存上普通是以压缩气体存于氢气桶中，而氧则可取自大气或同样由钢桶中压缩氧气提供；但若所采用是液态燃料，则另需以恰当容器盛装。在电极与电池构成某些，在此以熔融碳酸盐燃料电池构造来阐明。熔融碳酸盐燃料电池重要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成。 1.1阳极 MCFC阳极催化剂最早采用银和铂，为减少成本，日后改用了导电
13、性与电催化性能良好镍。但镍被发当前MCFC工作温度与电池组装力作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极电催化剂。加入2%10%Cr目是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。此外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr含量减少会减少电解质损失，但蠕变将增大。1.2 阴极 熔融碳酸盐燃料电池阴极催化剂普遍采用氧化镍。其典型制备办法是将多孔镍电极在电池升温过程中就地氧化，并且某些被锂化，形成非化学计量化合物 ，电极导电性极大提高。但是，这样制备NiO电极会产生膨胀，向外挤压电池壳体，破坏壳体与电解质基体之间湿密封。改进这一缺陷办法有如下几种： (l)Ni电极
14、先在电池外氧化，再到电池中掺Li;或氧化和掺Li都在电池外进行；(2)直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li，或在电池中掺Li：(3)在空气中烧结金属镍粉，使烧结和氧化同步完毕； (4)在Ni电极中放置金属丝网(或拉网)以增强构造稳定性。 1.3 电解质基底 电解质基底是MCFC重要构成部件，它使用也是MCFC特性之一。电解质基底由载体和碳酸盐构成，其中电解质被固定在载体内。基底既是离子导体，又是阴、阳极隔板。它必要具备强度高，耐高温熔盐腐蚀，浸入熔盐电解质后可以阻挡气体通过，而又具备良好离子导电性能。其塑性可用于电池气体密封，防止气体外泄，即所谓“湿封”。 当电池外壳为金属时，湿封是唯一气体
15、密封办法。 1.4 集流板(双极板) 双极板可以分隔氧化剂和还原剂，并提供气体流动通道，同步还起着集流导电作用，因而也称作集流板或隔离板。它普通采用不锈钢(如SS316，SS310)制成。在电池工作环境中，阴极侧不锈钢表面生成 ，其内层又有氧化铬，两者均起到钝化膜作用，减缓不锈钢腐蚀速度。SS310不锈钢由于铬镍含量高于SS316，因而耐蚀性能更好。普通而言，阳极侧腐蚀速度不不大于阴极侧。双极板腐蚀后产物会导致接触电阻增大，进而引起电池欧姆极化加剧。为减缓双极板阳极侧腐蚀速度，采用了在该侧镀镍办法。MCFC是靠浸入熔盐偏铝酸埋隔膜密封，称湿密封。为防止在湿密封处导致原电池腐蚀，双极板湿密封处普通采用铝涂层进行保护。1.5 电池整体构造 熔融碳酸盐燃料电池组均按压滤机方式进行组装，在隔膜两侧分置阴极和阳极，再置双极板，周而复始进行，最后由单电池堆积成电池堆。氧化气体和燃料气分别进入各节电池孔道(称气体分布管)，MCFC电池组气体分布管有两种方式:内气体分布管和外气体分布管。近年国外逐渐倾向采用内分布管方式，并对其进行了改进。氧化与还原气体在电池内互相流动有并流、对
