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1、第七章第七章 燃料电池燃料电池Fuel cellv早在年，英国科学家威廉格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。一、一、 前言前言 1960s，美国阿波罗宇宙飞船上开始使用碱性燃料电池。燃料电池的优点燃料电池的优点v将化学能直接转化为电能。它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换损失，达到很高的发电效率。v燃料电池构造简单，噪音小。v理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的转化为动能，而内燃机只能达到。燃料电池汽车的发展与现状v1993年，加拿大巴拉德动力系统公司P.158 163二、燃料电池的分类二、燃料电池的分类（1 1）碱性燃料电池碱性燃料电
2、池（AlkalineFuelCell,AlkalineFuelCell,AFCAFC） （2 2）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PolymerElectrolyteFuelCell,PolymerElectrolyteFuelCell, PEFC;PEFC;SolidPolymerElectrolyteFuelCell,SPEFC;SolidPolymerElectrolyteFuelCell,SPEFC; 或或ProtonExchangeMembraneFuelCell,ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFCPEMFC）（3 3）磷酸燃料电池磷酸燃料
3、电池（PhosphoricAcidFuelCell,PhosphoricAcidFuelCell, PAFCPAFC） （4 4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateMoltenCarbonate FuelCell,FuelCell,MCFCMCFC） （5）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）（一）根据燃料电池电解质的不同（一）根据燃料电池电解质的不同 （二）根据操作温度来分类（二）根据操作温度来分类（1）低温型PEMFC(80-100oC)AFC(60-220oC)PAFC(180-200oC)（2）中温型MCFC(650oC
4、)（3）高温型SOFC(1200oC)三、不同燃料电池的工作原理三、不同燃料电池的工作原理（1 1）碱性燃料电池碱性燃料电池 （AlkalineFuelCell,AlkalineFuelCell,AFCAFC） 阳极反应2H2+4OH-4H2O+4e-阴极反应4e-+O2+2H2O4OH-总反应2H2+O22H2O阳极燃料：纯氢阳极燃料：纯氢阳极：碳载的Pt、Pd、Ni阴极：碳载的Pt、Ag电解质：电解质：35-50%KOH溶液溶液v可使用非贵金属为电极催化剂，例如银、镍等v操作时所需温度较低，为100 oC-250 oCv化学反应快且转化效率高碱性染料电池的优点：碱性染料电池的优点：碱性染料
5、电池的缺点：碱性染料电池的缺点：v电解质腐蚀严重，寿命较短v燃料必须是高纯度的氢v碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成碳酸钾，影响电解质的品质，导致发电性能衰退,要使用纯氧做氧化剂 （2 2）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC）氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O阳极燃料：氢气或甲醇阳极燃料：氢气或甲醇电解质：电解质：磺酸型磺酸型质子传导膜质子传导膜阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt质子交换膜燃料电池的优点质子交换膜燃料电池的优点质子交换膜燃料电池的优点质子交换膜燃料
6、电池的优点v易组装、高功率、低重量、低体积v电解质为离子交换膜，无腐蚀，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（大部分为金属铂）v唯一液体是水，腐蚀小v操作温度低，介于80-100，比较安全，且可室温快速启动v适用于交通工具、便携设备、建筑物与小型社区质子交换膜燃料电池的缺点质子交换膜燃料电池的缺点质子交换膜燃料电池的缺点质子交换膜燃料电池的缺点v催化剂铂价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升v铂容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v固体电解质昂贵单电池组装单电池组装前前氢气氢气端端 bipolarplatebipolarplate氧氧气气端端 bipolarplatebipolarplateMEAME
7、A夹于夹于其间其间单电池 (Single Cell)进气进气流道流道车载的甲醇重整制氢装置车载的甲醇重整制氢装置Fe2O3或CuONiSelectiveoxidationAuH2,CO2,N2(10ppmCO)DMFCDMFC阳极（PtRu/C）：CH3OH+H2OCO2+6H+6e-阴极（Pt/C）：3/2O2+6H+6e-3H2O甲醇燃料电池这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。（3 3）磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PAFCPAFC）阳极燃料：氢气或天然气重整富阳极燃料：氢气或天然气重整富 氢气体氢气体氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的
8、阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O电解质：磷酸电解质：磷酸阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt磷酸燃料电池的优点磷酸燃料电池的优点磷酸燃料电池的优点磷酸燃料电池的优点v用于大型发电机组上，已经商业化v操作温度较低，介于150-220磷酸燃料电池的缺点磷酸燃料电池的缺点磷酸燃料电池的缺点磷酸燃料电池的缺点v催化剂铂价格昂贵vPt容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v酸性电解液具有腐蚀作用，寿命小于40000小时 （4 4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 （MCFCMCFC） 阳极燃料：氢气、煤气、天然气阳极燃料：氢气、煤气、天然气 或沼气或沼气阴 极： O2 + 2CO2 + 4e-
9、 2CO32-阳 极： 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e总反应： O2 2H2 2H2O电解质：电解质：52%碳酸锂和碳酸锂和48%碳酸钾碳酸钾 的混合盐的混合盐阳极：多孔镍阴极：锂镍氧化物COCOCO30 KW电池系统流程图电池系统流程图熔融碳酸盐燃料电池的优点熔融碳酸盐燃料电池的优点熔融碳酸盐燃料电池的优点熔融碳酸盐燃料电池的优点v电解质为碳酸锂和碳酸钾的低熔点混合物，性质稳定v阳极使用透气性的多孔镍，廉价v燃料多样化，可使用煤气、天然气或沼气（加重整器）v可回收利用废热，发电效率高，适合于集中型发电厂v电池价格低熔融碳酸盐燃料电池的缺点熔融碳酸盐燃料电池的缺点熔融碳酸盐
10、燃料电池的缺点熔融碳酸盐燃料电池的缺点v操作温度为600-700oC，易导致电极腐蚀 （5 5）固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 （SOSOFCFC） 阳极燃料：氢气、煤气、天然气、阳极燃料：氢气、煤气、天然气、沼气沼气阳极材料：Ni-YSZ金属陶瓷阴极材料：参杂的LaMnO3或LaCoO3电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质：固体陶瓷（电解质：固体陶瓷（YSZ）固体氧化物燃料电池的优点固体氧化物燃料电池的优点固体氧化物燃料电池的优点固体氧化物燃料电池的优点v使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题v废热可回收利用v适用于中等规模发电机组v可忍受较多的硫化物v不受
11、CO影响，燃料范围广，包括H2，CO、天然气、煤气，碳氢化合物、NH3、H2Sv电池价格低固体氧化物燃料电池的缺点固体氧化物燃料电池的缺点固体氧化物燃料电池的缺点固体氧化物燃料电池的缺点v操作温度约1000oC，电池启动慢，需要保温设备v不适用于交通工具和随身携带 低温燃料电池低温燃料电池（60220) 中温型中温型 高温型高温型650 oC 1000 oC类型类型 AFC碱性燃料电池 PEMFC质子交换或固体聚合物燃料电池PAFC磷酸燃料电池 MCFC熔融碳酸燃料电池 SOFC固态氧燃料电池 特性特性 无污染,电效率高制造费用非常贵,不适合于工业应用少维护污染排放在很低的水平,低噪音,固体电
12、解质适合于大规模生产,与常规技术相比很贵低污染, 低噪音,是热电联产电厂的三倍费用, 随着连续运行电效率降低有效利用能源, 低噪音,没有外部气体配置, 腐蚀性电解液有效利用能源, 低噪音, 没有外部气体配置,腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体电解体氢氧化钾溶液 质子交换膜 磷酸 碳酸锂和碳酸钾 固体陶瓷体 燃料燃料纯氢 氢，甲醇 天然气，氢 天然气煤气沼气 天然气煤气沼气 氧化剂氧化剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 系统的电效率系统的电效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% P170四、汽车使用燃料电池的优缺点（1）优点（P171）v能量转换效率高（内燃机汽车：11%；燃料电池40-70%），节能效果显著v低污染（NOx、HC、SOx、微粒）v性能接近内燃机汽车v过载能力强v结构简单、运行平稳v燃料来源丰富缺点：v质子交换膜燃料电池的原料单一v要求高质量的密封v比功率还有待提高v催化剂成本高v需配备辅助电池系统v启动性能较差v加氢站网络投资大v行驶里程需进一步提升课后习题v哪一种燃料电池必须使用纯氧作为阴极的氧化剂？v简述五种燃料电池的电解质分别是什么？阴极和阳极之间传输的离子分别是什么？v简述质子交换膜燃料电池的工作原理。
