燃料电池的昨天今天明天幻灯片.ppt

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1、燃料电池的昨天今天明天第1页，共22页，编辑于2022年，星期日什么是燃料电池燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）-燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。第2页，共22页，编辑于2022年，星期日工作原理燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿

2、外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种 发电机。第3页，共22页，编辑于2022年，星期日现今燃料电池的分类低温燃料电池低温燃料电池（60120）中温燃料电池中温燃料电池(160220)高温燃科电池高温燃科电池(6001000)类型类型 AFC碱性燃料电池 PEMFC或SPFC质子交换或固体聚合物燃料电池PAFC磷酸燃料电池 MCFC熔融碳酸燃料电池 SOFC固态氧燃料电池 特性特性 无污染,电效率高制造费用非常贵,不适

3、合于工业应用少维护污染排放在很低的水平,低噪音,固体电解质适合于大规模生产,与常规技术相比很贵低污染,低噪音,是热电联产电厂的三倍费用,随着连续运行电效率降低有效利用能源,低噪音,没有外部气体配置,腐蚀性电解液有效利用能源,低噪音,没有外部气体配置,腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体电解体氢氧化钾溶液 质子可渗透膜 磷酸 锂和碳酸钾 固体院瓷体 燃料燃料纯氢 氢，甲醇天然气 天然气，氢 天然气煤气沼气 天然气煤气沼气 氧化剂氧化剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 系统的电效率系统的电效率 60-90 43-58 37-42 50%50-65%第4页，共22页，编辑

4、于2022年，星期日已有技术固体氧化物燃料电池(SOFC)过去的重点，目前已基本不研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)目前研究重点熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)再生氢氧燃料电池第5页，共22页，编辑于2022年，星期日固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。第6页，共22

5、页，编辑于2022年，星期日第7页，共22页，编辑于2022年，星期日质子交换膜燃料电池(PEMFC)质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。第8页，共22页，编辑于2022年，星期日第9页，共22页，编辑于2022年，星期日熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。

6、反应原理示意图如下：阴 极：O2+2CO2+4e-2CO32-阳 极：2H2+2CO32-2CO2+2H2O+4e总反应：O2 2H2 2H2O熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600700），具有效率高（高于40%）、噪音低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。第10页，共22页，编辑于2022年，星期日第11页，共22页，编辑于2022年，星期日再生氢氧燃料电池再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能+2H2O2H2+O2)与氢氧燃料电池技术(2H2+O2H20+电能)相结合,氢氧燃料电池的燃料 H2、氧化剂O2

7、可通过水电解过程得以“再生”,起到蓄能作用。可以用作空间站电源。第12页，共22页，编辑于2022年，星期日第13页，共22页，编辑于2022年，星期日最新技术最新技术-以酶为基础的生物燃料电池牛津大学凯利维森特博士及其同事在酶基础上研制成一种燃料电池，它比传统结构燃料电池便宜很多倍。以酶为基础的第一个氢燃料电池样品目前虽然只能输出0.7伏电压和微小电流足以使电子表行走，还能确保各种袖珍电子装置的用电。在普通燃料电池中氧气和氢气从交换膜片两面通过，膜片分开带有电极的小室，膜片能自由通过质子。在一个电极上氢气被分解成质子和电子，电子不能通过膜片，在外电路接通时只能抵达燃料电池对面的小室，在那里参

8、与通过膜片的氧气与质子的水合成。镀在电极表面上的催化剂保持燃料电池中发生的两种反应，通常使用铂，铂催化剂和交换膜片是燃料电池最昂贵的组分，这也是它们难以推广应用的一个原因。第14页，共22页，编辑于2022年，星期日但是在维森特博士研制的燃料电池中既没有铂催化剂，也没有交换膜片，而是利用两种廉价的酶：一种取自细菌的氢化酶，另一种是取自真菌的虫漆酶，它们能参加与催化剂相同的反应。每个电极上覆盖有这两种酶中的一种。由于每一种酶能加速自身的反应，因此这种生物燃料电池不需要膜片，因为“燃烧”的两种成分空气和氢气在燃料电池中能自由混合。其实，试验样品是一个带有两个电极的简单玻璃瓶，电极上覆盖有酶，研究人

9、员在试验样品上加上空气和少量（百分之几）氢气混合物时，即成功地获得了电流。第15页，共22页，编辑于2022年，星期日最新科技最新科技-美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术第16页，共22页，编辑于2022年，星期日最新科技最新科技-美国空军学院研究无人机用氢燃料电池技术 美国空军学院位于科罗拉多州，目前有11个院系在开展无人机有关技术的研究，其中化学部的教员和学生们正在研究可用于无人机的氢燃料电池技术。化学式氢发生器的总体构想是利用锂和铝的氢化物作为储氢原料，通过化学反应将这些金属氢化物中的氢元素释放出来，这就产生了燃料电池所需的氢燃料。对一架无人机来说，氢燃料的释放速度和流量必须与它所需

10、要的电能相匹配。第17页，共22页，编辑于2022年，星期日在无人机领域，氢燃料电池技术的主要应用对象将是采用电推进的小型无人机。与采用内燃发动机或涡轮发动机相比，电推进的声辐射和热辐射都较低，所以能提高无人机的低可探测性能。此外它能可靠地起动，并且非常紧凑。但是，今天的常规电池对电推进无人机来说仍然太重，而氢燃料电池的重量要比等功率的常规电池轻50%以上。目前已实现了第一个目标，即氢原料的产氢率按重量比算达到6%，这就是说100磅(45.4千克)的氢原料能产生6磅(约2.72千克)的氢。这听起来很少，但由于氢是一种很轻的元素，6磅(约2.72千克)氢气的体积超过30000升。此研究所正打算尝

11、试将产氢率进一步提高到18%“。目前，为实现6%产氢率而采用的化学方法的潜力实际上仅发挥了一半。学员们正在进行试验以解决这个问题。他们正尝试利用纳米技术使氢原料的每个原子都能得到利用，还在研究利用催化剂提高反应过程中的产氢速度，这样可能也能提高氢原料的利用率。第18页，共22页，编辑于2022年，星期日美国陆军已经试验了9台已开发的氢发生器/50瓦燃料电池组合原型。目前这种系统成本过高，所需化合物稀少，并且难以实现再充电。目前所取得的积极成果是所产生的氢不需要在低温或高压的环境中存储，而可在常温常压下永远保持稳定，直到你开启燃料电池使之发生作用。但是,就像许多新技术一样，它走向实用还有许多工作

12、要做，包括进一步提高产氢率的许多研究，大量的工程化发展工作和对制造技术的投资。从基础研究通向一种可以实际使用的系统是一条漫长的路，通常需要20年甚至更久。第19页，共22页，编辑于2022年，星期日展望燃料电池的未来燃料电池可在一秒钟之内迅速提供满负荷动力，并可承受短时过负荷（几秒钟）。其特性很适合作为备用电源或安全保证电源。为实现这些动态特性，在供电侧必须有独立的氢气来源。除了将燃料电池用于空间飞行，移动式和固定式设备外，开发小型化的燃料电池系统的工作也正在开展，作为便携式电源系统用于笔记本电脑和摄象机等装置。许多美国厂家都有采用燃料电池（10 kW）的国内示范项目。更广泛的应用只有当电池组

13、成本大大下降之后才有可能。因为在这一应用中燃料电池技术直接与常规的锅炉在产生热量方面进行竞争。在不同领域进行的大量研究对燃料电池的发展很有利，而且对其具有正面的、长期的影响，并可进一步加快燃料电池投入商业应用的进程。第20页，共22页，编辑于2022年，星期日展望燃料电池的未来开发可用于车辆的移动式燃料电池是发展这项技术的主要驱动力。通过在汽车工业大量使用燃料电池而带来预期的成本下降，将使固定式发电受益非浅，反之亦然。这些专门的应用领域意味着燃料电池技术是今后几年中可获得突破的几项未来技术中的一项，而且不需要耗费大量的政府投资。展望未来，氢燃料电池可能取代地面车辆(包括火车)的现有动力装置，并成为公用发电设备。目前全球年用电量大约是13太瓦(1太瓦=1万亿瓦)，其中大多数来自石油，煤和天然气。可见燃料电池的发展前景是十分广阔的。第21页，共22页，编辑于2022年，星期日第22页，共22页，编辑于2022年，星期日