燃料电池工作原理、分类及组成--ppt课件.ppt
《燃料电池工作原理、分类及组成--ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《燃料电池工作原理、分类及组成--ppt课件.ppt(106页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、1ppt课件2ppt课件3ppt课件PEMFC阳极阳极阴极阴极eHH222OHeHO222221OHOH22221总反应总反应4ppt课件阳极阳极e6H6COOHOHCH223OH3e6H6O2322阴极阴极总反应总反应OH2COO23OHCH2223甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂,在完成甲醇在阳极电化学氧化过程的机理非常复杂,在完成6个个电子转移的过程中,会生成众多稳定或不稳定的中间物,电子转移的过程中,会生成众多稳定或不稳定的中间物,有的中间物会成为电催化剂的毒物,导致催化剂中毒,有的中间物会成为电催化剂的毒物,导致催化剂中毒,从而降低电催化剂的电催化活性。从而降低电催化剂的电催化
2、活性。DMFC5ppt课件甲醇氧化的可能步骤6ppt课件因此,DMFC开发过程中,甲醇直接氧化电催化剂的研发、反应机理等一直是研究热点,也是DMFC发展的关键之一。根据甲醇与水在电池阳极的进料方式不同,可将DMFC分为两类:以气态甲醇和水蒸汽为燃料和以甲醇水溶液为燃料。7ppt课件1)以气态甲醇和水蒸汽为燃料)以气态甲醇和水蒸汽为燃料由于在常压下水的饱和温度为由于在常压下水的饱和温度为1000C,所以这种,所以这种DMFC工作温度要高于工作温度要高于1000C。目前交换膜的质子传导性都与液态水含量有关,因此,目前交换膜的质子传导性都与液态水含量有关,因此,当电池工作温度超过当电池工作温度超过1
3、000C时,反应气的工作压力要高时,反应气的工作压力要高于大气压,这样电池系统就会变得很复杂。于大气压,这样电池系统就会变得很复杂。至今尚没有开发出能够在至今尚没有开发出能够在150-2000C下稳定工作,且不需下稳定工作,且不需液态水存在的交换膜。液态水存在的交换膜。因此,这种因此,这种DMFC目前研究的很少。目前研究的很少。8ppt课件 2 2)以甲醇水溶液为燃料)以甲醇水溶液为燃料采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料的液体采用不同浓度的甲醇水溶液为燃料的液体DMFCDMFC,在室温,在室温及及100 100 o oC C之间可以在常压下运行。当电池工作温度超过之间可以在常压下运行。当电池工作温
4、度超过100100 o oC C时,为防止水汽化而导致膜失水,也要对系统加时,为防止水汽化而导致膜失水,也要对系统加压。压。以甲醇水溶液为燃料的以甲醇水溶液为燃料的DMFCDMFC是目前研发的重点。是目前研发的重点。9ppt课件 DMFCDMFC单位面积的输出功率紧为单位面积的输出功率紧为PEMFCPEMFC的的1/10-l/51/10-l/5,其原因主要有下述两个方面:其原因主要有下述两个方面:1 1)甲醉阳极电化学氧化历程中生成类)甲醉阳极电化学氧化历程中生成类COCO的中间物,的中间物,导致导致PtPt电催化剂中毒,严重降低了甲醇的电化学氧电催化剂中毒,严重降低了甲醇的电化学氧化速度(比
5、氢气氧化的速度要低得多),增加阳极化速度(比氢气氧化的速度要低得多),增加阳极极化达百毫伏数量级。极化达百毫伏数量级。而当以氢为燃料时,当电池工作电流密度达而当以氢为燃料时,当电池工作电流密度达1A/m1A/m2 2时阳极极化也仅几十毫伏;时阳极极化也仅几十毫伏;10ppt课件11ppt课件 2 2)燃料甲醇通过浓差扩散和电迁移由膜的阳极侧)燃料甲醇通过浓差扩散和电迁移由膜的阳极侧迁移至阴极侧迁移至阴极侧( (甲醇渗透,甲醇渗透,Crossover)Crossover),在阴极电,在阴极电位与位与Pt/CPt/C或或PtPt电催化剂作用下发生电化学氧化,并电催化剂作用下发生电化学氧化,并与氧的
6、电化学还原构成短路电池,在阴极产生混合与氧的电化学还原构成短路电池,在阴极产生混合电位。电位。甲醇经膜的这一渗透,不但导致氧电极产生混合电甲醇经膜的这一渗透,不但导致氧电极产生混合电位,降低位,降低DMFCDMFC的开路电压,而且增加氧阴极极化和的开路电压,而且增加氧阴极极化和降低电池的电流效率。降低电池的电流效率。12ppt课件不同浓度下和负荷条件下甲醇渗透的变化13ppt课件DMFCDMFC与与PEMFCPEMFC不同点不同点1)由甲醇阳极氧化电化学方程可知,当甲醇阳极氧化时,不但)由甲醇阳极氧化电化学方程可知,当甲醇阳极氧化时,不但产生产生H+与电子,而且还产生气体与电子,而且还产生气体
7、CO2,因此尽管反应物,因此尽管反应物CH30H与与H20均为液体,仍要求电极具有憎水孔。而且由水电解工业经验均为液体,仍要求电极具有憎水孔。而且由水电解工业经验可知,对析气电极,尤其是采用多孔气体扩散电极这类立体电极可知,对析气电极,尤其是采用多孔气体扩散电极这类立体电极时,电极构成材料时,电极构成材料(Pt/C电催化剂电催化剂)极易在析出的反应气作用下导极易在析出的反应气作用下导致脱落、损失,进而影响电池寿命。致脱落、损失,进而影响电池寿命。因此与因此与PEMFC相比,在相比,在DMFC阳极结构与制备工艺优化时,必阳极结构与制备工艺优化时,必须考虑须考虑CO2析出这一特殊因素。析出这一特殊
8、因素。14ppt课件2)当采用甲醇水溶液作燃料时,由于阳极室充满了液)当采用甲醇水溶液作燃料时,由于阳极室充满了液态水,态水,DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的水饱和状态下。水饱和状态下。15ppt课件 但与但与PEMFC不同的是,当不同的是,当DMFC工作时不管是电迁工作时不管是电迁移还是浓差扩散,水均是由阳极侧迁移至阴极侧,移还是浓差扩散,水均是由阳极侧迁移至阴极侧,即对以甲醇水溶液为燃料的即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC,阴极需排出远,阴极需排出远大于电化学反应生成的水。大于电化学反应生成的水。因此与因此与PEMFC相比,相比,DMFC阴极侧不但
9、排水负荷增阴极侧不但排水负荷增大,而且阴极被水掩的情况更严重,在设计大,而且阴极被水掩的情况更严重,在设计DMFC阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。16ppt课件正因为如此,在至今评价正因为如此,在至今评价DMFC时,阴极氧化剂时,阴极氧化剂(如如空气中氧空气中氧)的利用率均很低,其目的是增加阴极流的利用率均很低,其目的是增加阴极流场内氧化剂的流动线速度,以利于向催化层的传质场内氧化剂的流动线速度,以利于向催化层的传质和水的排出,但这势必增加和水的排出,但这势必增加DMFC电池系统的内耗,电池系统的内耗,这是研究高效大功率这是研究高效大功率DM
10、FC电池系统时必须解决的电池系统时必须解决的技术问题。技术问题。17ppt课件 当采用甲醇水溶液作燃料时,当采用甲醇水溶液作燃料时,DMFCDMFC的核心部件的核心部件MEAMEA阳阳极侧是浸入甲醇水溶液中的,加之在极侧是浸入甲醇水溶液中的,加之在DMFCDMFC工作时,工作时,又有又有C02C02的析出;而阴极侧,排水量也远大于电化学的析出;而阴极侧,排水量也远大于电化学反应生成水,不管是气化蒸发以气态排出,还是靠反应生成水,不管是气化蒸发以气态排出,还是靠毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水,毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水,均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。均
11、会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。18ppt课件因此,在制备因此,在制备DMFCDMFC的的MEAMEA时,与时,与PEMPCPEMPC的的MEAMEA相比,要改相比,要改进结构与工艺,增加进结构与工艺,增加MEAMEA的电极与膜之间的结合力,防的电极与膜之间的结合力,防止止MEAMEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极化,大幅度降低电池性能,严重时导致电池失效。化,大幅度降低电池性能,严重时导致电池失效。19ppt课件PAFC20ppt课件21ppt课件PAFC的工作原理22ppt课件PAFCPAFC是一种以是一种以磷酸为电解质磷酸
12、为电解质的燃料电池。的燃料电池。PAFCPAFC采用重整采用重整天然气天然气作燃料,空气做氧化剂,浸有作燃料,空气做氧化剂,浸有浓磷酸的浓磷酸的SiCSiC微孔膜微孔膜作电解质,作电解质,Pt/CPt/C作催化剂,工作温度作催化剂,工作温度200200。PAFCPAFC产生的直流电经过直交产生的直流电经过直交变换后以交流电的形式供给用户。变换后以交流电的形式供给用户。PAFCPAFC是是目前单机发电量最大的一种燃料电池目前单机发电量最大的一种燃料电池。50-200kW50-200kW功率的功率的PAFCPAFC可供现场应用,可供现场应用,1000kW1000kW功率以上的功率以上的PAFCPA
13、FC可应用于区域性电可应用于区域性电站。目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于站。目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于200kW200kW的的PAFCPAFC的电站已运行多年,的电站已运行多年,4500kW4500kW和和11000kW11000kW的电站也开始运行。的电站也开始运行。PAFCPAFC的主要技术突破是采用炭黑和石墨作电池的结构材料。至的主要技术突破是采用炭黑和石墨作电池的结构材料。至今还未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的电导,而且今还未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的电导,而且在酸性条件下具有高的抗腐蚀能力和低费用。因此可以说,采在酸性条件下具有高的抗腐蚀能力
14、和低费用。因此可以说,采用非炭材、制备费用合理的酸性燃料电池是不可能的。用非炭材、制备费用合理的酸性燃料电池是不可能的。23ppt课件电解质材料电解质材料 PAFCPAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小,在高温的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小,在高温下具有良好的离子导电性,所以下具有良好的离子导电性,所以PAFCPAFC的工作温度在的工作温度在200200左右。左右。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体,它在水溶液中可离析出磷酸是无色、油状且有吸水性的液体,它在水溶液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸(质量分数为导电的氢离子。浓磷酸(质量分数为100%100%)的凝固点是)的凝固
15、点是4242,低于这个温度使用时,低于这个温度使用时,PAFCPAFC的电解质将发生固化。而电解质的的电解质将发生固化。而电解质的固化会对电极产生不可逆转的损伤,电池性能会下降。所以固化会对电极产生不可逆转的损伤,电池性能会下降。所以PAFCPAFC电池一旦启动,体系温度要始终维持在电池一旦启动,体系温度要始终维持在4545以上。以上。24ppt课件隔膜材料隔膜材料 PAFCPAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜,的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜,它由它由SiCSiC和聚四氟乙烯组成,写作和聚四氟乙烯组成,写作SiCSiC-PTFE-PTFE。新型
16、的。新型的SiCSiC-PTFE-PTFE隔膜隔膜有直径极小的微孔,可兼顾分离效果和电解质传输。有直径极小的微孔,可兼顾分离效果和电解质传输。设计隔膜的孔径远小于设计隔膜的孔径远小于PAFCPAFC采用的氢电极和氧电极(采用多孔气体采用的氢电极和氧电极(采用多孔气体扩散电极)的孔径,这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内,起扩散电极)的孔径,这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内,起到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后,当到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后,当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电极组合成电池的时候,部分磷酸电解饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电极组合成电池的时候
17、,部分磷酸电解液会在电池阻力的作用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层,液会在电池阻力的作用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层,形成稳定的三相界面。形成稳定的三相界面。25ppt课件PAFC结构26ppt课件PAFC系统27ppt课件AFC28ppt课件碱性燃料电池碱性燃料电池 碱性碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似,但其使用的电燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似,但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应:解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应: 阳极:阳极: 阴极:阴极: 碱性碱性燃料电池的工作温度大约燃料电池的工作温度大约8080。因此启动也很快
18、,但其电力密度。因此启动也很快,但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得笨拙。却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得笨拙。不过,它们是燃料电池中不过,它们是燃料电池中生产成本生产成本最低的,因此可用于小型的固定发最低的,因此可用于小型的固定发电装置。电装置。22H4OH4H O4e22O2H O4e4OH29ppt课件碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC)(AFC)是燃料电池系统中最早开发并是燃料电池系统中最早开发并获得成功应用的一种。获得成功应用的一种。美国阿波罗登月宇宙飞船及航天飞机上即采用碱美国阿波罗登月宇宙飞船及航天飞机上即采用碱性燃料电池作为动力
19、电源。性燃料电池作为动力电源。实际飞行结果表明,实际飞行结果表明,AFCAFC作为宇宙探测飞行等特殊作为宇宙探测飞行等特殊用途的动力电源已经达到了实用化阶段。用途的动力电源已经达到了实用化阶段。30ppt课件在过去相当长的一段时期内,在过去相当长的一段时期内,AFCAFC系统的研究范围系统的研究范围涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材料与电性能等。料与电性能等。根据电池工作温度不同,根据电池工作温度不同,AFCAFC系统可分为中温型与系统可分为中温型与低温型两种。低温型两种。前者以培根中温燃料电池为代表,它由英国培根前者以培根中温燃料电池为代
20、表,它由英国培根(F(FT TBacon)Bacon)研制,工作温度约为研制,工作温度约为523K523K,阿波罗,阿波罗登月飞船上使用的登月飞船上使用的AFCAFC系统就属于这一类型。系统就属于这一类型。31ppt课件低温型低温型APCAPC系统的工作温度低于系统的工作温度低于373K373K,是现在,是现在AFCAFC系统研究与开发的重点。系统研究与开发的重点。其应用目标是便携式电源及交通工具用动力电其应用目标是便携式电源及交通工具用动力电源。源。32ppt课件在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用户的有效途径之一。户的有效途径之一。因为液
21、体燃料储运方便,易处置。曾经考虑用作因为液体燃料储运方便,易处置。曾经考虑用作AFCAFC系统的液体燃料有阱(系统的液体燃料有阱(N N2 2H H4 4)、液氨、甲醇和)、液氨、甲醇和烃类。烃类。由于由于AFCAFC系统通常以系统通常以KOHKOH溶液作为电解质,溶液作为电解质,KOHKOH与某与某些燃料可能产生的化学反应使得些燃料可能产生的化学反应使得AFCAFC几乎不能使用几乎不能使用液体燃料。液体燃料。33ppt课件液体燃料在进入液体燃料在进入AFCAFC电池堆之前必须进行预处理。阱电池堆之前必须进行预处理。阱(N N2 2H H4 4)在)在AFCAFC阳极上易分解成氢气和氯气,其电
22、极阳极上易分解成氢气和氯气,其电极反应可能是:反应可能是:实验结果表明,以阱为燃料的实验结果表明,以阱为燃料的AFCAFC电性能与氢氧电性能与氢氧AFCAFC电性能差不多相等。电性能差不多相等。有人认为这两种燃料的电化学过程实际上是相同有人认为这两种燃料的电化学过程实际上是相同的,阱仅仅起到氢气源的作用。的,阱仅仅起到氢气源的作用。34ppt课件阱在阱在AFCAFC阳极表面分解的同时还可能产生对电极性能阳极表面分解的同时还可能产生对电极性能有害的有害的氨氨。在阱电池中,电解液是连续循环的,并在循环过程在阱电池中,电解液是连续循环的,并在循环过程中添加水合阱使浓度大体上维持恒定,这种循环也中添加
23、水合阱使浓度大体上维持恒定,这种循环也有助于除去电池工作中产生的氮气。有助于除去电池工作中产生的氮气。排出的氮气中会带一些阱蒸汽,由于阱有毒且易爆,排出的氮气中会带一些阱蒸汽,由于阱有毒且易爆,故须使废气通过乙醛或硫酸以除去其中的阱。电池故须使废气通过乙醛或硫酸以除去其中的阱。电池反应产生的水也大部分随氮气一起排出。反应产生的水也大部分随氮气一起排出。35ppt课件电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或H H2 2O O2 2等。等。若以空气代替纯氧,会大大增加排出气体中氮若以空气代替纯氧,会大大增加排出气体中氮气的流量,使电池输出功率显著降低。气的流量,使电池输出功率显
24、著降低。36ppt课件在五六十年代,阱在五六十年代,阱- -空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而且,这种电池系统需要大量辅助设备,这不仅需要消耗电且,这种电池系统需要大量辅助设备,这不仅需要消耗电池所产生功率中的相当大一部分,而且在电池正常工作前池所产生功率中的相当大一部分,而且在电池正常工作前必须启动这些辅助设备。必须启动这些辅助设备。因此,尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料因此,尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料要大得多,但阱电池在商业
25、上似乎不大可能有重要用途。要大得多,但阱电池在商业上似乎不大可能有重要用途。37ppt课件到了到了7070年代,阱年代,阱- -空气燃料电池基本上停止了研究。空气燃料电池基本上停止了研究。除了阱除了阱- -空气燃料电池,曾研究过的空气燃料电池,曾研究过的AFCAFC系统还有氨系统还有氨- -空空气燃料电池。气燃料电池。从长远的眼光来看,阱、液氨作为从长远的眼光来看,阱、液氨作为AFCAFC的燃料是不可行的燃料是不可行的。目前,最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。的。目前,最具潜力的液体燃料是烃类、甲醇等。38ppt课件AFCAFC的优点是的优点是:(1 1)效率高,因为氧在碱性介质中的还原)效率
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 燃料电池 工作 原理 分类 组成 ppt 课件
限制150内