新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 8.1 燃料電池的工作原理及輸出性能

8.1燃料電池的工作原理及輸出性能任課教師：2018年6月目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性燃料電池的起源燃料電池的發(fā)展歷史ox(氧氣管)反應(yīng):2H2O-4e-→4H++O2hy(氫氣管)反應(yīng)：4H++4e-→2H2英國(guó)的格羅夫教授在電解水實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)吸附H2和O2的Pt電極能夠釋放出電能，進(jìn)而提出了燃料電池概念。上圖是該燃料電池的格羅夫的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置分為上下兩部分，上部為電解水裝置，下部就是燃料電池。ox(氧氣管)反應(yīng)：O2+4H++4e-→2H2Ohy(氫氣管)反應(yīng)：2H2→4H++4e-燃料電池初期發(fā)展緩慢的原因：燃料電池的發(fā)展歷史2.內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展1.19世紀(jì)的科技不夠發(fā)達(dá)，阻礙了燃料電池的發(fā)展燃料電池關(guān)鍵的鉑電極無(wú)法大量生產(chǎn)氫氣缺少來(lái)源電堆的生產(chǎn)工藝達(dá)不到相應(yīng)的水平3.化石能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)及使用燃料電池發(fā)展的轉(zhuǎn)折燃料電池的發(fā)展歷史1932年，劍橋大學(xué)的培根博士開(kāi)發(fā)出第一個(gè)堿性燃料電池，該裝置采用比較廉價(jià)的鎳取代鉑電極，以及采用不易腐蝕電極的堿性電解質(zhì)--氫氧化鉀取代了硫酸電解質(zhì)。并于1959年真正制造出能夠工作的燃料電池，其發(fā)電功率為5kW，用于給焊接機(jī)供電。陽(yáng)極：H2+2OH-→2H2O+2e-陰極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-電解質(zhì)：KOH→K＋＋OH-

燃料電池發(fā)展的轉(zhuǎn)折燃料電池的發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代，NASA尋找適合作為宇宙飛船的動(dòng)力源，對(duì)各種動(dòng)力源進(jìn)行了分析比較，最終選定燃料電池作為動(dòng)力源進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。其原因?yàn)椋浩胀ɑ瘜W(xué)電池過(guò)于笨重太陽(yáng)能不能持續(xù)的為宇宙飛船供電核能具有一定的危險(xiǎn)性燃料電池能夠滿足1～10kw的功率要求，產(chǎn)物水還能作為飲用水近代燃料電池的發(fā)展燃料電池的發(fā)展歷史1973年的石油危機(jī)使世界各國(guó)普遍認(rèn)識(shí)到了新能源的重要性，紛紛認(rèn)真思考燃料電池廣泛應(yīng)用的可行性，以及如何克服燃料電池商業(yè)化的困難與障礙。近代燃料電池的發(fā)展燃料電池的發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代燃料電池的研發(fā)都集中在開(kāi)發(fā)新材料、尋求易得的燃料來(lái)源和降低成本上。21世紀(jì)后，世界各地已經(jīng)有許多公共場(chǎng)所已經(jīng)安裝了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，也開(kāi)發(fā)出了各種使用燃料電池的新能源汽車(chē)，更有了燃料電池發(fā)電站。燃料電池發(fā)電站燃料電池汽車(chē)目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性燃料電池與傳統(tǒng)熱機(jī)的相同點(diǎn)燃料電池與傳統(tǒng)熱機(jī)的區(qū)別燃料電池的工作原理燃料電池傳統(tǒng)熱機(jī)-柴油機(jī)化學(xué)能熱能機(jī)械能電能兩者都只是能量轉(zhuǎn)換器，而非能量?jī)?chǔ)存器。燃料電池的發(fā)電過(guò)程燃料電池的工作原理反應(yīng)物的輸入為了保證燃料電池能夠持續(xù)發(fā)電，必須為其連續(xù)不斷地提供燃料和氧化劑。利用流場(chǎng)板結(jié)合多孔電極結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物的高效輸送。流場(chǎng)板多孔電極燃料電池的發(fā)電過(guò)程燃料電池的工作原理電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng):2H2→4H++4e-陰極反應(yīng)：O2+4H++4e-→2H2O陰極陽(yáng)極反應(yīng)平衡后便在各自電極形成電勢(shì)差。為獲得較大的電流，通常會(huì)用催化劑來(lái)提高反應(yīng)速率。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在產(chǎn)生電能的同時(shí)伴有熱能產(chǎn)生。燃料電池的發(fā)電過(guò)程燃料電池的工作原理電子與離子的傳導(dǎo)電子的傳導(dǎo)：任意導(dǎo)電路徑離子的傳導(dǎo)：電解質(zhì)離子相較電子尺寸大，必須為離子提供擴(kuò)散路徑。為減小電池內(nèi)阻，電解質(zhì)層應(yīng)盡量的薄。燃料電池的發(fā)電過(guò)程燃料電池的工作原理反應(yīng)產(chǎn)物的排放產(chǎn)物不及時(shí)排出的危害：影響反應(yīng)物與電極、催化劑的接觸，造成燃料電池效率低下剩余反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物的排放：未參與反應(yīng)的氫氣：順著陽(yáng)極流道從出口離開(kāi)燃料電池未參與反應(yīng)的氧氣及反應(yīng)產(chǎn)物：順著陰極流道從出口排出反應(yīng)產(chǎn)熱的排除：外部冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻降溫目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性為了提高燃料電池的輸出電流和電壓以滿足實(shí)際應(yīng)用需求，采用以下措施：

提高輸出電流：增加單體電池的截面積或者多個(gè)單體電池并聯(lián)

提高輸出電壓：多個(gè)單體電池串聯(lián)形成電池堆燃料電池的基本結(jié)構(gòu)單體電池是由電極、電解質(zhì)、雙極板以及電池外殼等基本單元組成：?jiǎn)误w電池電池堆電池堆往往包括數(shù)十甚至上百個(gè)單體電池燃料電池的基本結(jié)構(gòu)1.電極定義：燃料發(fā)生氧化反應(yīng)以及氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的場(chǎng)所電極性能好壞的關(guān)鍵：電極的材料

、催化劑的性能、電極制作工藝等催化劑：提高電極反應(yīng)的速度多孔電極：增加反應(yīng)物與催化劑的接觸面積，提高反應(yīng)速率燃料電池的基本結(jié)構(gòu)2.電解質(zhì)作用：為離子提供擴(kuò)散通道以及隔離陽(yáng)極陰極之間的反應(yīng)物固態(tài)電解質(zhì)：具有離子導(dǎo)電能力的材料制成的無(wú)孔膜液態(tài)電解質(zhì)：吸附在多孔基體隔膜內(nèi)的液態(tài)電解質(zhì)電解質(zhì)的類(lèi)別：質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)3.雙極板作用：雙極板是燃料電池所特有的，它起到連接單體電池、收集電流、分配氣體和熱量管理等作用。分類(lèi)：石墨板、金屬板與復(fù)合材料板石墨板：導(dǎo)電性及耐腐蝕性好，但制作工藝復(fù)雜、較厚金屬板：較薄、加工簡(jiǎn)單，但不耐腐蝕復(fù)合材料板：適合大量生產(chǎn)，但內(nèi)阻較大、機(jī)械強(qiáng)度不足目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性燃料電池的電動(dòng)勢(shì)燃料電池的輸出性能電池電動(dòng)勢(shì)與電池反應(yīng)的吉布斯自由能的變化有關(guān)。吉布斯自由能變化可定量表示出等溫等壓條件下，體系對(duì)外輸出非體積功的能力：△G=△H-T△S△G=Wr△G：反應(yīng)吉布斯自由能變（KJ/mol)△H：反應(yīng)焓變（KJ/mol）△S：反應(yīng)熵變（KJ/(mol·k))T：溫度（K）Wr：非體積功的最大值（KJ/mol)對(duì)于燃料電池而言，對(duì)外所做的非體積功為電能（功率與電流和電壓有關(guān)），因此可得：Wr=nFEn：?jiǎn)蝹€(gè)反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)F：法拉第常數(shù)（F=96500C/mol)E：電池的理想電動(dòng)勢(shì)（V)燃料電池的電動(dòng)勢(shì)-能斯特方程燃料電池的輸出性能對(duì)于化學(xué)發(fā)應(yīng)aA+bB→cC+dD，其任意狀態(tài)下的吉布斯自由能變與標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變的關(guān)系為：R：氣體常數(shù)(R=8.314J/(mol?K)）α是物質(zhì)X的活度，若物質(zhì)X為溶質(zhì)，則α表示X在溶液中物質(zhì)的量濃度與1mol/L的比值，若其為氣體，則其表示X的分壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的比值△G0為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變（KJ/mol):燃料電池的電動(dòng)勢(shì)-能斯特方程燃料電池的輸出性能通過(guò)上述推導(dǎo)可得能斯特方程：對(duì)于氫氧燃料電池能斯特方程為：利用能斯特方程可以推出理論電動(dòng)勢(shì)，但是實(shí)際電動(dòng)勢(shì)小于理論值，實(shí)際電動(dòng)勢(shì)可表示為：其中：Eact

：活化損失；Eohm：歐姆損失；Econc：濃度損失。燃料電池的電流密度燃料電池的輸出性能電流密度為單位電極面積上的電流強(qiáng)度：I：流過(guò)截面的電流(A)；

A：截面面積(m2)對(duì)電流密度取決定性作用的因素是燃料在燃料電池內(nèi)部的利用率。在同樣的外部條件下，燃料利用率越高，說(shuō)明參與電化學(xué)反應(yīng)的燃料所能提供的電子越多，則電池輸出的電流密度越大。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率燃料電池的輸出性能理想狀態(tài)下燃料電池的轉(zhuǎn)換效率：實(shí)際電壓不等于理論值，因而可以定義電壓效率：燃料電池的輸出電流也小于理論電流，由此可以定義電流效率：綜上燃料電池的實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率定義為：目錄Contents8.1.1燃料電池的發(fā)展歷史8.1.2燃料電池的工作原理8.1.3燃料電池的基本結(jié)構(gòu)8.1.4燃料電池的輸出性能8.1.5燃料電池的工作特性燃料電池的優(yōu)勢(shì)：能量轉(zhuǎn)換效率高燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電效率在40﹪～60﹪之間，若是加以綜合利用，總效率可達(dá)80﹪環(huán)境友好燃料電池使用的氫燃料可以通過(guò)可再生能源或化工過(guò)程副氣得到，其工作過(guò)程中的排放產(chǎn)物為水或水蒸氣，清潔、無(wú)污染燃料電池的工作特性燃料電池的優(yōu)勢(shì)：噪音低傳統(tǒng)熱機(jī)系統(tǒng)必須含有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，運(yùn)行時(shí)噪聲非常大；燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，工作環(huán)境噪聲低模塊化程度高發(fā)電效率與規(guī)模無(wú)關(guān)，適合不同功率要求用途廣泛可應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如在航天、家庭、移動(dòng)電源都有不錯(cuò)的應(yīng)用前景燃料電池的工作特性燃料電池的不足之處：成本高燃料電池一般采用稀有金屬作為催化劑氫燃料無(wú)法高效、低成本的獲取對(duì)輔助設(shè)備要求高多數(shù)為氫燃料電池，需要將其他燃料轉(zhuǎn)化為H2才能利用催化劑對(duì)環(huán)境敏感（如Pt催化劑遇CO會(huì)中毒失活）密封要求高單體電池連接時(shí)必須嚴(yán)格密封，以防H2泄露。給燃料電池的制造與維護(hù)帶來(lái)一定的困難燃料電池的工作特性什么是燃料電池？它的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？闡述燃料電池與一般傳統(tǒng)電池之間、燃料電池與熱機(jī)之間的差別。請(qǐng)寫(xiě)