燃料電池基本元件包含課件

燃料電池基本元件包含:電極

電解質(zhì)隔膜

集電器關(guān)鍵材料與元件(1)1燃料電池基本元件包含:電極

關(guān)鍵材料與元件(1)1關(guān)鍵材料與元件(2)1.電極(electrode):為燃料氧化和氧化劑還原的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所;分成陰極(cathode)與陽極(anode)。為多孔結(jié)構(gòu);厚度一般在200μm~500μm間。

2.電解質(zhì)隔膜(electrolytemembrane):功能是分隔氧化劑和還原劑;並傳導(dǎo)離子其厚度越薄越好。

3.集電器(currentcollector)或稱雙極板(bipolarplate):具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體及分隔氧化劑和還原劑的作用。2關(guān)鍵材料與元件(2)1.電極(electrode):基本元件包含:觸媒

電催化

電極

電解質(zhì)隔膜

雙極板

燃料電池堆

燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵材料與元件(3)3基本元件包含:觸媒

電催化

電極

電解質(zhì)隔膜

觸媒:a.要對特定的電化學(xué)反應(yīng)有良好的催化活性高選擇性。

b.要在一定的電位範(fàn)圍內(nèi)耐電解質(zhì)的腐蝕。

c.同時(shí)也要具有良好的電子導(dǎo)電性。

關(guān)鍵材料與元件(4)4關(guān)鍵材料與元件(4)4表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料與元件(5)5表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料與元件(電催化：a.是加速電化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種催化作用。b.一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)界面上。c.其反應(yīng)速度與觸媒的活性、電雙層(chargedoublelayer)內(nèi)電場及電解質(zhì)溶液的本性有關(guān)。關(guān)鍵材料與元件(6)6電催化：關(guān)鍵材料與元件(6)6關(guān)鍵材料與元件(7)電極:因其使用之燃料與氧化劑通常為氣體;而氣體在電解質(zhì)中的溶解度很低;故為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與減少極化而提出的改善方法;為增加反應(yīng)電極的表面積而發(fā)展出比平板電極高出3~5個(gè)數(shù)量級的多孔氣體擴(kuò)散電極。7關(guān)鍵材料與元件(7)電極:7a.是使燃料電池由理論研究進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。b.多孔氣體擴(kuò)散電極的液相質(zhì)傳邊界層的厚度也從平板電極的100μm壓縮到1~10μm。

c.大幅提高了電極的限制電流密度(limitingcurrentdensity)。

d.目前燃料電池所採用的多孔氣體擴(kuò)散電極的結(jié)構(gòu)可分成多層結(jié)構(gòu)的黏結(jié)型電極(bindelectrode)及單層燒結(jié)型電極(sinteredelectrode)兩類。圖1為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖。關(guān)鍵材料與元件(8)8a.是使燃料電池由理論研究進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵材料圖1--為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖關(guān)鍵材料與元件(9)9圖1--為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖關(guān)鍵材料與元件(9)9以下用氫氧燃料電池陰極氧還原反應(yīng)說明多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的輸送現(xiàn)象:1/2O2＋2H+2e-→H2O此反應(yīng)中同時(shí)有氧氣、水、電子及質(zhì)子等四種不同型態(tài)與物性的反應(yīng)物或產(chǎn)物;設(shè)計(jì)良好的電極須同時(shí)能將上述物質(zhì)輸送抵達(dá)或離開反應(yīng)點(diǎn)上;使電極反應(yīng)能連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行;故在電極觸媒層須同時(shí)具備表2所列4種通道。關(guān)鍵材料與元件(10)10以下用氫氧燃料電池陰極氧還原反應(yīng)說明多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)反應(yīng)物表2--多孔氣體擴(kuò)散電極的四種通道關(guān)鍵材料與元件(11)11表2--多孔氣體擴(kuò)散電極的四種通道關(guān)鍵材料與元件(11)11電解質(zhì)隔膜:

固態(tài)電解質(zhì)液態(tài)電解質(zhì)

(電解質(zhì)載體須具備能力)關(guān)鍵材料與元件(12)12電解質(zhì)隔膜:

固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料與元件(12)12由其型態(tài)來看;燃料電池的電解質(zhì);可以區(qū)分成液態(tài)電解質(zhì)(AFC、PAFC、MCFC)與固態(tài)電解質(zhì)兩種(PEMFC、SOFC)。

1.固態(tài)電解質(zhì):屬無孔膜結(jié)構(gòu);可直接製作成薄膜來阻隔氣體與傳導(dǎo)離子。

2.液態(tài)電解質(zhì):無法單獨(dú)完成阻隔陰極與陽極氣體的工作;須藉由毛細(xì)力吸附在電解質(zhì)載體的多孔隔膜內(nèi)來進(jìn)行工作。關(guān)鍵材料與元件(13)13由其型態(tài)來看;燃料電池的電解質(zhì);可以區(qū)分成液態(tài)電解質(zhì)(AFC關(guān)鍵材料與元件(14)3.電解質(zhì)載體須具有以下能力:a.能承受在電池工作條件下的電解質(zhì)腐蝕;以保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。b.是電子絕緣材料。c.其多孔膈膜的孔徑須小於多孔電極的孔徑。d.隔膜的微孔內(nèi)所浸的電解液須能承受一定壓力差。e.隔膜越薄則歐姆阻抗越小。14關(guān)鍵材料與元件(14)3.電解質(zhì)載體須具有以下能力:14表3--為燃料電池所用電解質(zhì)隔膜之比較

關(guān)鍵材料與元件(15)15表3--為燃料電池所用電解質(zhì)隔膜之比較

關(guān)鍵材料與元件(15雙極板:無孔石墨板表面改性之金屬板

複合碳板關(guān)鍵材料與元件(16)16雙極板:無孔石墨板關(guān)鍵材料與元件(16)16關(guān)鍵材料與元件(17)考慮以下的因素:

a.具阻隔氣體能力。b.須重量輕。強(qiáng)度要夠。c具有收集電流功能。d.是電、熱的良導(dǎo)體。e.在燃料電池的操作環(huán)境下具抗腐蝕能力。f.有輸送反應(yīng)氣體的功用。17關(guān)鍵材料與元件(17)考慮以下的因素:17關(guān)鍵材料與元件(18)目前雙極板材料主要為:

a.無孔石墨板:其導(dǎo)電性及耐腐蝕性均佳。但製程複雜費(fèi)時(shí)、質(zhì)地硬脆不易加工、流場製作成本高及其厚度有其限制。b.表面改性之金屬板:其厚度較薄、可用衝壓成型等機(jī)械化生產(chǎn)方法加工孔道及流場;有助降低成本及提高體積功率。但必須解決腐蝕問題。c.複合碳板:其製作方式可將流場形狀直接製作在模具上;故大量降低製作成本及時(shí)間;適合大量生產(chǎn)。但其內(nèi)電阻較大影響電池的性能。18關(guān)鍵材料與元件(18)目前雙極板材料主要為:18表4--為燃料電池雙極板使用材料之比較關(guān)鍵材料與元件(19)19表4--為燃料電池雙極板使用材料之比較關(guān)鍵材料與元件(19)關(guān)鍵材料與元件(20)燃料電池堆:為滿足高電壓之需求;須將多個(gè)單電池串接起來;以提高電池堆的輸出電壓。如圖2所示。燃料電池堆通常將多個(gè)單電池按壓濾機(jī)(filterpress)方式堆疊起來;構(gòu)成一個(gè)燃料電池堆。20關(guān)鍵材料與元件(20)燃料電池堆:20圖2--燃料電池堆關(guān)鍵材料與元件(21)21圖2--燃料電池堆關(guān)鍵材料與元件(21)21電池堆的設(shè)計(jì)須考慮以下因素:a.根據(jù)使用者及電池性能決定單電池的工作(電極)面積和串聯(lián)數(shù)目。b.反應(yīng)氣體在電池堆的各節(jié)單電池間的分配問題。c.由電池堆組裝形成的單電池間的共通管道阻力必須小於單電池的流場阻力。d.各單電池雙極板流場結(jié)構(gòu)務(wù)必一致。關(guān)鍵材料與元件(22)22關(guān)鍵材料與元件(22)22圖3為燃料電池堆置設(shè)計(jì)流程;以24V、600W規(guī)格為例

關(guān)鍵材料與元件(24)23圖3為燃料電池堆置設(shè)計(jì)流程;以24V、600W規(guī)格為例

關(guān)鍵關(guān)鍵材料與元件(23)燃料電池系統(tǒng):

a.中、低溫的燃料電池;如PEMFC、PAFC以醇類或輕類為燃料時(shí)要先通過燃料重整改質(zhì)器(reformer);經(jīng)過重整改質(zhì)過程後;將燃料轉(zhuǎn)換為富氫氣體;並去除對氫陽極氧化過程有毒的雜質(zhì)後;再進(jìn)入燃料電池堆。b.高溫燃料電池;如SOFC、MCFC;因本身具有內(nèi)重整能力;故不必設(shè)置燃料重整改質(zhì)器;而可直接用甲醇、天然氣等碳?xì)淙剂稀?/p>

目前燃料電池的電能轉(zhuǎn)換效率約在40~60﹪之間;故近半的化學(xué)能須以熱的形式表現(xiàn)。24關(guān)鍵材料與元件(23)燃料電池系統(tǒng):24圖4--為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖

關(guān)鍵材料與元件(25)25圖4--為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖

關(guān)鍵材料與元件(25)2燃料電池基本元件包含:電極

電解質(zhì)隔膜

集電器關(guān)鍵材料與元件(1)26燃料電池基本元件包含:電極

關(guān)鍵材料與元件(1)1關(guān)鍵材料與元件(2)1.電極(electrode):為燃料氧化和氧化劑還原的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所;分成陰極(cathode)與陽極(anode)。為多孔結(jié)構(gòu);厚度一般在200μm~500μm間。

2.電解質(zhì)隔膜(electrolytemembrane):功能是分隔氧化劑和還原劑;並傳導(dǎo)離子其厚度越薄越好。

3.集電器(currentcollector)或稱雙極板(bipolarplate):具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體及分隔氧化劑和還原劑的作用。27關(guān)鍵材料與元件(2)1.電極(electrode):基本元件包含:觸媒

電催化

電極

電解質(zhì)隔膜

雙極板

燃料電池堆

燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵材料與元件(3)28基本元件包含:觸媒

電催化

電極

電解質(zhì)隔膜

觸媒:a.要對特定的電化學(xué)反應(yīng)有良好的催化活性高選擇性。

b.要在一定的電位範(fàn)圍內(nèi)耐電解質(zhì)的腐蝕。

c.同時(shí)也要具有良好的電子導(dǎo)電性。

關(guān)鍵材料與元件(4)29關(guān)鍵材料與元件(4)4表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料與元件(5)30表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料與元件(電催化：a.是加速電化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種催化作用。b.一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)界面上。c.其反應(yīng)速度與觸媒的活性、電雙層(chargedoublelayer)內(nèi)電場及電解質(zhì)溶液的本性有關(guān)。關(guān)鍵材料與元件(6)31電催化：關(guān)鍵材料與元件(6)6關(guān)鍵材料與元件(7)電極:因其使用之燃料與氧化劑通常為氣體;而氣體在電解質(zhì)中的溶解度很低;故為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度與減少極化而提出的改善方法;為增加反應(yīng)電極的表面積而發(fā)展出比平板電極高出3~5個(gè)數(shù)量級的多孔氣體擴(kuò)散電極。32關(guān)鍵材料與元件(7)電極:7a.是使燃料電池由理論研究進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。b.多孔氣體擴(kuò)散電極的液相質(zhì)傳邊界層的厚度也從平板電極的100μm壓縮到1~10μm。

c.大幅提高了電極的限制電流密度(limitingcurrentdensity)。

d.目前燃料電池所採用的多孔氣體擴(kuò)散電極的結(jié)構(gòu)可分成多層結(jié)構(gòu)的黏結(jié)型電極(bindelectrode)及單層燒結(jié)型電極(sinteredelectrode)兩類。圖1為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖。關(guān)鍵材料與元件(8)33a.是使燃料電池由理論研究進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵材料圖1--為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖關(guān)鍵材料與元件(9)34圖1--為兩者結(jié)構(gòu)之示意圖關(guān)鍵材料與元件(9)9以下用氫氧燃料電池陰極氧還原反應(yīng)說明多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物的輸送現(xiàn)象:1/2O2＋2H+2e-→H2O此反應(yīng)中同時(shí)有氧氣、水、電子及質(zhì)子等四種不同型態(tài)與物性的反應(yīng)物或產(chǎn)物;設(shè)計(jì)良好的電極須同時(shí)能將上述物質(zhì)輸送抵達(dá)或離開反應(yīng)點(diǎn)上;使電極反應(yīng)能連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行;故在電極觸媒層須同時(shí)具備表2所列4種通道。關(guān)鍵材料與元件(10)35以下用氫氧燃料電池陰極氧還原反應(yīng)說明多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)反應(yīng)物表2--多孔氣體擴(kuò)散電極的四種通道關(guān)鍵材料與元件(11)36表2--多孔氣體擴(kuò)散電極的四種通道關(guān)鍵材料與元件(11)11電解質(zhì)隔膜:

固態(tài)電解質(zhì)液態(tài)電解質(zhì)

(電解質(zhì)載體須具備能力)關(guān)鍵材料與元件(12)37電解質(zhì)隔膜:

固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料與元件(12)12由其型態(tài)來看;燃料電池的電解質(zhì);可以區(qū)分成液態(tài)電解質(zhì)(AFC、PAFC、MCFC)與固態(tài)電解質(zhì)兩種(PEMFC、SOFC)。

1.固態(tài)電解質(zhì):屬無孔膜結(jié)構(gòu);可直接製作成薄膜來阻隔氣體與傳導(dǎo)離子。

2.液態(tài)電解質(zhì):無法單獨(dú)完成阻隔陰極與陽極氣體的工作;須藉由毛細(xì)力吸附在電解質(zhì)載體的多孔隔膜內(nèi)來進(jìn)行工作。關(guān)鍵材料與元件(13)38由其型態(tài)來看;燃料電池的電解質(zhì);可以區(qū)分成液態(tài)電解質(zhì)(AFC關(guān)鍵材料與元件(14)3.電解質(zhì)載體須具有以下能力:a.能承受在電池工作條件下的電解質(zhì)腐蝕;以保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。b.是電子絕緣材料。c.其多孔膈膜的孔徑須小於多孔電極的孔徑。d.隔膜的微孔內(nèi)所浸的電解液須能承受一定壓力差。e.隔膜越薄則歐姆阻抗越小。39關(guān)鍵材料與元件(14)3.電解質(zhì)載體須具有以下能力:14表3--為燃料電池所用電解質(zhì)隔膜之比較

關(guān)鍵材料與元件(15)40表3--為燃料電池所用電解質(zhì)隔膜之比較

關(guān)鍵材料與元件(15雙極板:無孔石墨板表面改性之金屬板

複合碳板關(guān)鍵材料與元件(16)41雙極板:無孔石墨板關(guān)鍵材料與元件(16)16關(guān)鍵材料與元件(17)考慮以下的因素:

a.具阻隔氣體能力。b.須重量輕。強(qiáng)度要夠。c具有收集電流功能。d.是電、熱的良導(dǎo)體。e.在燃料電池的操作環(huán)境下具抗腐蝕能力。f.有輸送反應(yīng)氣體的功用。42關(guān)鍵材料與元件(17)考慮以下的因素:17關(guān)鍵材料與元件(18)目前雙極板材料主要為:

a.無孔石墨板:其導(dǎo)電性及耐腐蝕性均佳。但製程複雜費(fèi)時(shí)、質(zhì)地硬脆不易加工、流場製作成本高及其厚度有其限制。b.表面改性之金屬板:其厚度較薄、可用衝壓成型等機(jī)械化生產(chǎn)方法加工孔道及流場;有助降低成本及提高體積功率。但必須解決腐蝕問題。c.複合碳板:其製作方式可將流場形狀直接製作在模具上;故大量降低製作成本及時(shí)間;適合大量生產(chǎn)。但其內(nèi)電阻較大影響電池的性能。43關(guān)鍵材料與元件(18)目前雙極板材料主要為:18表4--為燃料電池雙極板使用材料之比較關(guān)鍵材料與元件(19)44表4--為燃料電池雙極板使用材料之比較關(guān)鍵材料與元件(19)關(guān)鍵材料與元件(20)燃料電池堆:為滿足高電壓之需求;須將多個(gè)單電池串接起來;以提高電池堆的輸出電壓。如圖2所示。燃料電池堆通常將多個(gè)單電池按