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1、燃料电池燃料电池：是继水力、火力和核能发电后新的高：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。剂的化学能转变为电能的发电装置。第四节第四节 燃料电池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。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
2、展是由1932年剑桥大学的FrancisThomasBacon博士完成的。主要改进如下：(1)廉价的镍网代替铂电极(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(alkalinefuelcell,AFC)。1959年，Bacon制造出第一台能真正工作的5kW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WillardThomasGrubb改进了燃料电池设计，使用磺化的聚苯乙烯离子交换膜
3、作为电解质。三年后，和LeonardNiedrach一起发明了膜电极的方法，从而制造出现在质子交换膜燃料电池。3 3燃料电池基本组成：燃料电池基本组成：电极电极：多孔电极技术，电极可由具有催化活性的材料：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组成，也可只作为电化学反应载体和反应电流的半导体体电解质电解质：水溶液、固体电解质或熔融盐：水溶液、固体电解质或熔融盐燃料燃料：气体（氢气、甲烷、一氧化碳）、液体（甲醇：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）等）、固体（金属及金属氢化物）氧化剂氧化剂：纯氧、空气、过氧化氢或卤素
4、等：纯氧、空气、过氧化氢或卤素等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，该燃料电池就会连续不断地产生电能。5 5燃料电池的基本组成和结构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6 6燃料电池中的基本问题（氢氧电极催化作用） n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
5、质的分界面上。 n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。7 7燃料电池的特点燃料电池的特点1.1.燃料来源广泛，可以供给来实现不间断发电。燃料来源广泛，可以供给来实现不间断发电。2.2.高效清洁，无高效清洁，无SOx、NOx排放，安全方便。排放，安全方便。3.3.能量转换效率高，不受卡诺循环的限制。能量转换效率高，不受卡诺循环的限制。 理论转化率为：理论转化率为： 理论能量转换效率达理论能量转换效率达808090%90%，由于可能从环境
6、吸收能量，由于可能从环境吸收能量，转换效率可以转换效率可以100%100%，但因有正负极极化、浓差极化、电解质，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。欧姆降等，转换效率下降，但仍显著高于内燃机。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9 92.1 碱性燃料电池（AFC）2.1.1 碱性染料电池简介碱性染
7、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。1010图18 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）11111.2 AFC的优点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。电池的水平衡问题很
8、复杂，影响电池的稳定性。12122.2 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(Protonexchangemembranefuelcell，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，通常在0.50
9、.8V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)。1313PEMFC结构示意图1414PEMFC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 15151616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，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约
10、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。17172.2.2 质子交换膜燃料电池优点如下：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：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温度来提高电极反
11、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。1818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。19192.3 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、负电极
12、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+1/2O2H2O2020电池单体的开路电压为1V，一般设计工作电压为0.6-0.7V。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)。21212.3.2磷酸燃料电池特点磷酸燃料电池特点(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式。22222.3.
13、3磷酸燃料电池应用磷酸燃料电池应用PAFC作为一种中低温型（工作温度作为一种中低温型（工作温度180-210）燃料电池，）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。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，容量在之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量
14、在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。以上，可以作为中等规模热电厂。23232.4熔融碳酸燃料电池（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+1/2O2+2e-CO32-2424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
15、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2MW的电力，50-100MW容量的电力设计业已提到议事日程。25252.52.5固体氧燃料电池固体氧燃料电池 (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800-1
16、000之间。电极反应：阳极反应：H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-阴极反应:O2+4e-2O2-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，从而完成循环。2626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。27272.5.3特点特点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
17、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。28282929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30303.1.
18、氢燃料电池氢燃料电池3.1.1 氢燃料电池工作原理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。电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。31313.1.2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
19、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)。电子经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，驱动车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60-80%，为内燃机的23倍。本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。3232b.氢燃料电池汽车的优势分析氢作为汽车代用燃料具有良好的行进加速性、燃料适应性、低温
20、起动性好、超低排放、全工况高效率等优点。我国氢的来源极为丰富，技术水平也有了一定的基础，水电解制氢、生物质气化制氢等制氢方法已形成规模。其中低价电电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法。另外，用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用，这可以降低氢能应用成本。氢燃烧的产物是水，不会污染环境，真正实现了零污染的目标。废气组成 燃油汽车 氢燃料电池汽车 CO 17.0g/km 0HC 2.7g/km 0NOx 0.74g/km 微量CO2 320g/km 03333c.氢燃料电池在汽车应用上的劣势分析（1）生产成本高：目前氢的来源一般是天然气和沼气，
21、或者是电解水将氢和氧分离而提取氢。由于氢的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然气、沼气等碳氢燃料来提取氢，则会排出导致温室效应的气体。（2）能量密度小且储运不便：氢燃料储存困难，有泄漏和气化的问题，包括爆燃、回火、早燃等问题有待解决。343435353.2甲烷燃料电池甲烷燃料电池原理甲烷燃料电池是以甲烷和氧气为原料的化学电源，该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气，将反应产生的化学能转变为电能的装置。负极：负极：CH4+10OH-8e-CO32-+7H2O正极：正极：O2+4e-+2H2O4OH-离子方程式为：离子方程式为：CH4+2O2+2OH-CO32-+
22、3H2O总反应方程式为：总反应方程式为：CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O1.随着电池不断放电，电解液的碱性减小；2.甲烷燃料电池的能量率甲烷燃烧的能量利用率。3636甲烷燃料电池的开发应用甲烷来源丰富,在阳极的反应方式多种多样,具有不同的特点,以甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池适用于不同的场合,因此甲烷作燃料应用于SOFC具有很大的发展前景。甲烷作燃料仍旧存在许多难题:阳极积碳问题至今没有很好解决;内部重整过程导致多种气体共存于阳极,反应纷繁复杂,反应机理和动力学行为难以把握;蒸汽重整过程是剧烈吸热反应,而部分氧化过程是放热反应等等,因此进一步开发新的阳极材料,使其能够有效控制阳极反
23、应过程,以实现热效应匹配和热平衡,从而减少电池热应力,并提高电池效率,减少阳极积碳产生,提高电池寿命,这些都是以甲烷为燃料SOFC亟待解决的问题。37373.3甲醇燃料电池3.3.1电池操作原理直接甲醇燃料电池使用液态的甲醇(methanol，CH3OH)作燃料。它的核心是膜电极组(MEA，MembraneElectrodeAssembly)。MEA包括阳极、阴极与隔离阴阳两极的高分子薄膜。甲醇在阳极的电化学反应，氧化产生氢离子与电子如(1)式。所产生的氢离子透过具离子传导功能的高分子薄膜，传递到阴极。所产生的电子流经外部电路传到阴极。在阴极，空气中的氧气便与传递到阴极的氢离子与电子反应，还原
24、成水如(2)式。总反应便是甲醇与氧反应生成水与二氧化碳如(3)式。38383.3.2电池的结构与组成阳极或是阴极包括：(a)扩散层(DL，DiffusionLayer)，(b)微孔层(MPL，MicroPorousLayer)，(c)触媒层。扩散层主要的功能是让反应物(阳极的甲醇、阴极的氧气)由扩散层能够均匀地扩散到触媒层，同时能将触媒层的电流导出或导入。它是由孔隙度很大，导电度高的碳纸所组成。为了防止水在碳纸里面累积，碳纸内的碳纤维表层涂有疏水性很高的铁弗龙(Teflon)。微孔层的功能是防止扩散层淹水，并将让触媒层的电流导出或导入。它是由孔隙度小、导电度高的碳粉所组成。这碳粉层内有含量很高
25、的疏水性铁弗龙。触媒层是由表面含有铂金属(Pt，platinum)的碳粉和具有质子传导功能的高分子(Nafion)所组成。铂金属的平均颗粒约在25nm，铂金属因奈米化而提高它的反应表面积。高分子除了传导质子之外，它并作为黏结剂将触媒固定在电极上。隔离阴、阳两极的是质子交换膜，这层交换膜目前是由Nafion所组成。39393.3.3电池组与系统直接甲醇燃料电池的理论输出电压，在标准状态(25、1大气压下)是1.21V，目前实际能输出的电压约在0.30.4V。然而各种电子产品的电压远大于单一电池的输出电压，如手机需3.5V，电脑需1020V。电池必须串联成电池组(cellstack)才能达到电子产
26、品所需的电压。图3是各种电池串联增压的方式。(a)是单一电池；(b)是传统叠堆式电池组，这种电池组合的优点是电池内阻(R)小，因电池内阻所造成的电压损失(内阻电压损失=电流I内阻R)很小，适合大电流的电池；(c)是单电池配合增压器(DCDConverter)，电压增压器可以将单电池的低电压倍增到所需要的电压，若所需要增压的幅度太大，它的能量转换效率将因而减低；(d)平面式串连电池组，这种平面的组合适合许多外型扁平的电子产品，但是它的内阻较叠堆式电池组要大很多，适合小电流的电池；(e)叠堆平面混合式电池组，择中(b)与(d)的优缺点。40403.4乙醇燃料电池碱性乙醇燃料电池的优势：易储存，易推
27、广：与H2、CO、CH4等气体燃料电池的燃料相比，乙醇是液体易储存，尤其是无需在现有的公路交通体系耗资巨大的气体燃料补给站，只要在现有的加油站的基础上，稍加改动即可完成产业化的目标。乙醇燃料工业生产技术完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纤维素的“农业剩余废物”水解发酵得到。乙醇，基本无毒，并且有特殊气味，一旦泄漏对生物和环境的危害很小，并且容易被发现。4141四、燃料电池的应用与使用燃料电池的应用与使用1、军事上的应用军事应用应该是燃料电池最主要，也是最适合的市场。高效，多面性，使用时间长，以及宁静的工作，这些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上
28、的移动手提装备到海陆运输提供动力。在军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。42422、移动装置上的应用随着燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重
29、量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。如果燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进。使用甲醇，直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料，不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。存在的缺点是电池所需的白金催化剂的成本比较昂贵，其电力密度较低。43436燃料电池汽车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。它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置，4台由燃料
30、电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走。燃料电池车的基本结构如右图所示。4444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。4545超越二号同济大学研制的燃料电池发动机，能在14秒内加速到80公里，最高时速达110公里，可连续行驶210公里。在汽车行李箱内放置可充气的氢气瓶。氢气沿管道进入反应器，和空气中的氧气结合释放能量，提供汽车前进的动力。为了防止氢气逃逸，氢气瓶采用了铝板碳纤维的特殊材料，并在后厢内还安装了氢气浓度监测器。经测试该车在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。4646燃料电池汽车尚需解决的问题让燃料电池汽车走下生产线投入市场，还需要解决许多的实际问题，1整车的开发设计2车用燃料氢，其制备、储存和分配等环节都存在问题3电池系统性能有待提高，有小型化和轻型化要求4成本高，现有50KW质子交换膜燃料电池发动机的成本为300美分/KW，是内燃机的10倍4747个人观点供参考，欢迎讨论
