燃料電池的分類及應用課件

燃料電池：是繼水力、火力和核能發(fā)電后新的高效發(fā)電技術，它是不經過燃燒直接將燃料和氧化劑的化學能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。第四節(jié)燃料電池燃料電池：是繼水力、火力和核能發(fā)電后新的高效發(fā)電技術，它是不燃料電池起源——格羅夫氣體電池1839年，格羅夫教授在采用Pt電極演示水的電解實驗過程中，發(fā)現吸附了H2和O2的Pt電極可以釋放出電能，當時稱之為氣體伏打電池，后來稱之為格羅夫燃料電池。燃料電池起源——格羅夫氣體電池1839年，格羅夫教授在采用P三、燃料電池的發(fā)展史1、1839年，英國Grove所進行的電解作用實驗——使用電將水分解成氫和氧——是人們后來稱之為燃料電池的第一個裝置。2、燃料電池史早期的重要進展是由1932年劍橋大學的FrancisThomasBacon博士完成的。主要改進如下：(1)廉價的鎳網代替鉑電極(2)堿性的氫氧化鉀代替硫酸，減少腐蝕。Bacon將這種裝置叫做Bacon電池，它實際上是第一個堿性燃料電池(alkalinefuelcell,AFC)。

1959年，Bacon制造出第一臺能真正工作的5kW燃料電池。上述發(fā)展為現代燃料電池的商業(yè)化奠定了基礎。3、質子交換膜電池20世紀60年代初期，美國國家航空和宇宙航行局（NASA）為尋求無人航天飛行提供動力的方法。1955年，通用電器公司（GE）的WillardThomasGrubb改進了燃料電池設計，使用磺化的聚苯乙烯離子交換膜作為電解質。三年后，和LeonardNiedrach一起發(fā)明了膜電極的方法，從而制造出現在質子交換膜燃料電池。三、燃料電池的發(fā)展史燃料電池基本組成：電極：多孔電極技術，電極可由具有催化活性的材料組成，也可只作為電化學反應載體和反應電流的半導體電解質：水溶液、固體電解質或熔融鹽燃料：氣體（氫氣、甲烷、一氧化碳）、液體（甲醇等）、固體（金屬及金屬氫化物）氧化劑：純氧、空氣、過氧化氫或鹵素等燃料電池基本組成：燃料電池的工作原理（1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應：（2）氫離子穿過電解質到達陰極。電子則通過外電路及負載也達到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應式為：（3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應為：伴隨著電池反應，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會連續(xù)不斷地產生電能。燃料電池的工作原理燃料電池的基本組成和結構陽極、陰極、電解質和外電路圖1-3燃料電池的基本結構原理燃料電池的基本組成和結構圖1-3燃料電池的基本結構原理燃料電池中的基本問題（氫氧電極催化作用）

燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質的分界面上。催化劑是一類可產生電催化作用的物質。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。

*評價催化劑的主要技術指標為穩(wěn)定性、電催化活性、電導率和經濟性。燃料電池中的基本問題（氫氧電極催化作用）燃料電池的特點1.燃料來源廣泛，可以供給來實現不間斷發(fā)電。2.高效清潔，無SOx、NOx排放，安全方便。3.能量轉換效率高，不受卡諾循環(huán)的限制。理論轉化率為：理論能量轉換效率達80~90%，由于可能從環(huán)境吸收能量，轉換效率可以>100%，但因有正負極極化、濃差極化、電解質歐姆降等，轉換效率下降，但仍顯著高于內燃機。燃料電池的特點1.燃料來源廣泛，可以供給來實現不間斷發(fā)電。現代燃料電池的分類

1.按電解質的特性不同1.1堿性燃料電池（AFC）

1.2質子交換膜燃料電池（PEMFC）

1.3磷酸燃料電池（PAFC）

1.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

1.5固體氧化物燃料電池（SOFC）

2.按燃料類型分類

2.1氫燃料電池

2.2甲烷燃料電池

2.3甲醇燃料電池

2.4乙醇燃料電池現代燃料電池的分類1.按電解質的特性不同2.1堿性燃料電池（AFC）2.1.1堿性染料電池簡介堿性燃料電池是發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水。

負極反應：正極反應：工作溫度大約80℃，啟動快，生產成本低，但其電流密度僅為質子交換膜燃料電池的密度10-20%，在汽車中使用顯得相當笨拙，可用于小型的固定發(fā)電裝置。堿性燃料電池對氫氣中的CO和其它雜質也非常敏感，主要是催化劑中毒和電解液碳酸化，降低電池的性能。2.1堿性燃料電池（AFC）2.1.1堿性染料電池簡介圖1－8堿性燃料電池的結構（自由電解質型）圖1－8堿性燃料電池的結構（自由電解質型）1.2AFC的優(yōu)點①氧氣轉換效率高；②可以用非鉑催化劑；③可以采用鎳板做雙極板。1.3AFC的缺點①堿性電解液容易形成K2CO3、Na2CO3沉淀，嚴重影響電池性能。②電池的水平衡問題很復雜，影響電池的穩(wěn)定性。1.2AFC的優(yōu)點

2.2質子交換膜燃料電池(Protonexchangemembranefuelcell，簡稱PEMFC）

質子交換膜燃料電池是由陽極、陰極和質子交換膜壓制而成，陽極負載Pt、Pd催化劑發(fā)生氫氧化，陰極負載Pt/C催化劑，發(fā)生氧還原反應，質子交換膜作為電解質。電極反應如下：

陽極(負極)：2H2-2e=2H+

陰極(正極)：1/2O2+4e+4H+=H2O

由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～0.8V之間。

將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。

2.2質子交換膜燃料電池PEMFC結構示意圖PEMFC結構示意圖PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質子交換膜和其兩側各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質的復合體。

圖10－19膜電極結構示意圖PEMFC的電極常被稱圖10－19膜電極結構示意圖

電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高強度，不易變形，導電導熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。

電堆的核心是MEA組件和雙極板。2.2.2質子交換膜燃料電池優(yōu)點如下：(1)發(fā)電過程不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換率高；(2)發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。(3)燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等。

被認為是電動汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。2.2.3主要缺點如下：(1)制作困難、成本高，全氟物質的合成困難，成本高；(2)對溫度和含水量要求高Nafion膜的最佳工作溫度為70～90℃，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)對甲醇和乙醇的滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。2.2.2質子交換膜燃料電池優(yōu)點如下：質子交換膜燃料電池的應用質子交換膜燃料電池作為新一代發(fā)電技術，經過多年的基礎研究與應用開發(fā)，在汽車動力的研究方面已取得實質性進展。另外微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。質子交換膜燃料電池的應用2.3磷酸燃料電池

（PHOSPHORICACIDFUELCELL,PAFC）2.3.1磷酸燃料電池工作原理以濃磷酸為電解質，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負電極的中溫型(150～220℃)燃料電池。它具有電解質穩(wěn)定、磷酸可濃縮、水蒸氣壓低和陽極催化劑不易被CO毒化等優(yōu)點，是一種接近商品化的民用燃料電池。

電極反應如下：陽極反應：H2-2e-→2H+

陰極反應：1/2O2+2H+

+2e-→

H2O總反應：

H2+1/2O2→H2O

2.3磷酸燃料電池

（PHOSPHORICACIDF電池單體的開路電壓為1V，一般設計工作電壓為0.6-0.7V。實際使用上根據輸出的需要，把數十個以至數百個電池單體串并聯(lián)而成為電池組合體(stack)。

電池單體的開路電壓為1V，一般設計工作電壓為02.3.2磷酸燃料電池特點(1)排氣清潔，發(fā)電效率高，燃料不經過燃燒過程直接發(fā)電，沒有NOX和SOX。(2)噪音低，振動小，沒有旋轉機械的發(fā)電方式。

2.3.2磷酸燃料電池特點2.3.3磷酸燃料電池應用PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210℃）燃料電池，適應多樣燃料、無噪音、運轉費低、設置場所限制少、大氣壓運轉容易操作、安全性優(yōu)良、部分負荷特性好等特點，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。。PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。2.3.3磷酸燃料電池應用2.4熔融碳酸燃料電池（MCFC）采用融化的碳酸鹽（鋰鉀鈉或者混合鹽）電解質。當溫度加熱到650℃時，混合碳酸鹽開始溶化，產生游離的碳酸根離子。氫氣和碳酸根離子反應生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。陰極氧氣和二氧化碳得到電子，再形成碳酸根離子。其發(fā)電效率很高，但材料耐氧化性要求也高。陽極：H2+CO32--2e-→H2O+CO2

陰極：CO2+1/2O2+2e-→CO32-

2.4熔融碳酸燃料電池（MCFC）

優(yōu)點是該電池可以采用內部重整的天然氣和石油來生成氫。由于工作溫度高，可以采用廉價的金屬鎳代替鉑，其產生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達60%，加上其產生的熱量，綜合效率可高達80%。缺點是該電池需要較長的時間加熱才能達到工作溫度，不能用于交通運輸和分散型家庭發(fā)電。

目前的示范電池可產生高達2MW的電力，50-100MW容量的電力設計業(yè)已提到議事日程。

優(yōu)點是該電池可以采用內部重整的天然氣和石油來2.5固體氧燃料電池

(SOLIDOXIDEFUELCELL，簡稱SOFC)它使用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯為固態(tài)電解質，在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置，屬于第三代燃料電池的一種。目前被普遍認為是PEMFC相當的一種燃料電池。工作溫度800-1000℃之間。電極反應：陽極反應：H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-

陰極反應:O2+4e-→2O2-

燃料電池在工作過程中定向促使氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（H2/CO）產生電能。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，從而完成循環(huán)。2.5固體氧燃料電池

(SOLIDOXIDEFUEL該燃料電池可以承受CO的污染，無需燃料的外部重整制氫，因而還可以直接使用石油或天然氣，甚至硫污染燃料。由于它們使用高溫型固態(tài)電解質，因而相應的高溫耐熱材料及其制造成本比較昂貴。該燃料電池可以承受CO的污染，無需燃料的外2.5.3特點

SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：①較高的電流密度和功率密度；②陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；③可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；④避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；⑤能提供高質余熱，實現熱電聯(lián)產，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；⑥廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構；⑦陶瓷電解質要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應進行，還可以實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。2.5.3特點燃料電池的分類及應用課件不同燃料類型的燃料電池及其原理1，氫燃料電池；2，甲烷燃料電池；3，甲醇燃料電池；4，乙醇燃料電池不同燃料類型的燃料電池及其原理1，氫燃料電池；3.1.氫燃料電池3.1.1氫燃料電池工作原理氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極。3.1.氫燃料電池3.1.2氫燃料電池的應用在汽車上的應用a.氫燃料電池車的工作原理是：氫氣在燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)。電子經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，驅動車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60-80%，為內燃機的2～3倍。本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。3.1.2氫燃料電池的應用b.氫燃料電池汽車的優(yōu)勢分析氫作為汽車代用燃料具有良好的行進加速性、燃料適應性、低溫起動性好、超低排放、全工況高效率等優(yōu)點。我國氫的來源極為豐富，技術水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質氣化制氫等制氫方法已形成規(guī)模。其中低價電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應用成本。氫燃燒的產物是水，不會污染環(huán)境，真正實現了零污染的目標。

廢氣組成燃油汽車氫燃料電池汽車CO17.0g/km0HC2.7g/km0NOx0.74g/km微量CO2320g/km0b.氫燃料電池汽車的優(yōu)勢分析廢氣組成燃油汽車氫燃料電池c.氫燃料電池在汽車應用上的劣勢分析（1）生產成本高：目前氫的來源一般是天然氣和沼氣，或者是電解水將氫和氧分離而提取氫。由于氫的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳氫燃料來提取氫，則會排出導致溫室效應的氣體。（2）能量密度小且儲運不便：氫燃料儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。c.氫燃料電池在汽車應用上的劣勢分析

3.2甲烷燃料電池甲烷燃料電池原理甲烷燃料電池是以甲烷和氧氣為原料的化學電源，該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，在兩極上分別通甲烷和氧氣，將反應產生的化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。負極：CH4+10OH-—8e-＝CO32-+7H2O正極：O2+4e-+2H2O＝4OH-

離子方程式為：CH4+2O2+2OH-＝CO32-+3H2O總反應方程式為：CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O

1.隨著電池不斷放電，電解液的堿性減?。?.甲烷燃料電池的能量率>甲烷燃燒的能量利用率。

3.2甲烷燃料電池甲烷燃料電池的開發(fā)應用甲烷來源豐富,在陽極的反應方式多種多樣,具有不同的特點,以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池適用于不同的場合,因此甲烷作燃料應用于SOFC具有很大的發(fā)展前景。甲烷作燃料仍舊存在許多難題:陽極積碳問題至今沒有很好解決;內部重整過程導致多種氣體共存于陽極,反應紛繁復雜,反應機理和動力學行為難以把握;蒸汽重整過程是劇烈吸熱反應,而部分氧化過程是放熱反應等等,因此進一步開發(fā)新的陽極材料,使其能夠有效控制陽極反應過程,以實現熱效應匹配和熱平衡,從而減少電池熱應力,并提高電池效率,減少陽極積碳產生,提高電池壽命,這些都是以甲烷為燃料SOFC亟待解決的問題。甲烷燃料電池的開發(fā)應用3.3甲醇燃料電池3.3.1電池操作原理

直接甲醇燃料電池使用液態(tài)的甲醇(methanol，CH3OH)作燃料。它的核心是膜電極組(MEA，MembraneElectrodeAssembly)。MEA包括陽極、陰極與隔離陰陽兩極的高分子薄膜。甲醇在陽極的電化學反應，氧化產生氫離子與電子如(1)式。所產生的氫離子透過具離子傳導功能的高分子薄膜，傳遞到陰極。所產生的電子流經外部電路傳到陰極。在陰極，空氣中的氧氣便與傳遞到陰極的氫離子與電子反應，還原成水如(2)式。總反應便是甲醇與氧反應生成水與二氧化碳如(3)式。3.3甲醇燃料電池3.3.2電池的結構與組成

陽極或是陰極包括：(a)擴散層(DL，DiffusionLayer)，(b)微孔層(MPL，MicroPorousLayer)，(c)觸媒層。擴散層主要的功能是讓反應物(陽極的甲醇、陰極的氧氣)由擴散層能夠均勻地擴散到觸媒層，同時能將觸媒層的電流導出或導入。它是由孔隙度很大，導電度高的碳紙所組成。為了防止水在碳紙里面累積，碳紙內的碳纖維表層涂有疏水性很高的鐵弗龍(Teflon)。微孔層的功能是防止擴散層淹水，并將讓觸媒層的電流導出或導入。它是由孔隙度小、導電度高的碳粉所組成。這碳粉層內有含量很高的疏水性鐵弗龍。觸媒層是由表面含有鉑金屬(Pt，platinum)的碳粉和具有質子傳導功能的高分子(Nafion)所組成。鉑金屬的平均顆粒約在2～5nm，鉑金屬因奈米化而提高它的反應表面積。高分子除了傳導質子之外，它并作為黏結劑將觸媒固定在電極上。隔離陰、陽兩極的是質子交換膜，這層交換膜目前是由Nafion所組成。

3.3.23.3.3電池組與系統(tǒng)

直接甲醇燃料電池的理論輸出電壓，在標準狀態(tài)(25℃、1大氣壓下)是1.21V，目前實際能輸出的電壓約在0.3～0.4V。然而各種電子產品的電壓遠大于單一電池的輸出電壓，如手機需3.5V，電腦需10～20V。電池必須串聯(lián)成電池組(cellstack)才能達到電子產品所需的電壓。圖3是各種電池串聯(lián)增壓的方式。(a)是單一電池；(b)是傳統(tǒng)疊堆式電池組，這種電池組合的優(yōu)點是電池內阻(R)小，因電池內阻所造成的電壓損失(內阻電壓損失=電流I×內阻R)很小，適合大電流的電池；(c)是單電池配合增壓器(DC／DConverter)，電壓增壓器可以將單電池的低電壓倍增到所需要的電壓，若所需要增壓的幅度太大，它的能量轉換效率將因而減低；(d)平面式串連電池組，這種平面的組合適合許多外型扁平的電子產品，但是它的內阻較疊堆式電池組要大很多，適合小電流的電池；(e)疊堆／平面混合式電池組，擇中(b)與(d)的優(yōu)缺點。

3.3.3電池組與系統(tǒng)

直接甲醇燃料電池的理論輸出電壓，在3.4乙醇燃料電池堿性乙醇燃料電池的優(yōu)勢：易儲存，易推廣：與H2、CO、CH4等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體易儲存，尤其是無需在現有的公路交通體系耗資巨大的氣體燃料補給站，只要在現有的加油站的基礎上，稍加改動即可完成產業(yè)化的目標。乙醇燃料工業(yè)生產技術完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的“農業(yè)剩余廢物”水解發(fā)酵得到。乙醇，基本無毒，并且有特殊氣味，一旦泄漏對生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現。

3.4乙醇燃料電池四、燃料電池的應用與使用

1、軍事上的應用軍事應用應該是燃料電池最主要，也是最適合的市場。高效，多面性，使用時間長，以及寧靜的工作，這些特點極適合于軍事工作對電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸提供動力。在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應。此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數量便可以顯著的減少。自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。四、燃料電池的應用與使用2、移動裝置上的應用隨著燃料電池的日益發(fā)展，