《新能源材料》燃料电池.ppt

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1、第二篇第二篇燃料电池燃料电池什么是燃料电池n n燃料电池（燃料电池（Fuel CellFuel Cell）是利用燃料发生化学反应是利用燃料发生化学反应时释出的能量，将燃料的化学能通过电化学反应直时释出的能量，将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置。接转换成电能的一种装置。n n从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但不像一次电池一样用完就丢弃，电池等是类似的。但不像一次电池一样用完就丢弃，也不像二次电池用完须充电。也不像二次电池用完须充电。n n工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）工作时需要连续地向其供给

2、活物质（起反应的物质）-燃料和氧化剂），把燃料通过化学反应释出的能燃料和氧化剂），把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，是经由电化学反应之发电机，译量变为电能输出，是经由电化学反应之发电机，译为为“环保发电机环保发电机”更为贴切。更为贴切。n n18391839年，使用稀释的硫酸当做液态电解质，成功产生电能。年，使用稀释的硫酸当做液态电解质，成功产生电能。n n18991899年，首度发现固态电解质的导电行为。年，首度发现固态电解质的导电行为。n n19371937年，示范成功第一个陶瓷型燃料电池。年，示范成功第一个陶瓷型燃料电池。n n19671967年，通用汽车公司引进碱性燃料电池技术

3、，开发了第年，通用汽车公司引进碱性燃料电池技术，开发了第一辆燃料面包车。一辆燃料面包车。燃料电池的演进燃料电池工作原理n n燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。n n电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子（protonproton）与电子（）与电子（electronelectron），其中质子进入电解

4、液中，），其中质子进入电解液中，被氧被氧“吸引吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。因此水是燃料电池唯一的排放物。n n利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，为一种输电，为一种 发电机发电机。燃料电池工作原理阳极反应2H2+4OH-4H2O+4e-阴极反

5、应4e-+O2+2H2O 4OH-总反应2H2+O2 2H2On n以燃料电池之电解质（electrolyte）来区分，它可分为五种。n n若以温度分类，可分为三种高温型、中温型、低温型。燃料电池的种类（1 1）碱性燃料电池碱性燃料电池碱性燃料电池碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,Alkaline Fuel Cell,AFCAFC）（2 2）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeProton ExchangeMembrane Fuel Cell,Membrane Fuel Cell,PEMFCPEMFC）（3

6、3）磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell,Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFCPAFC）（4 4 4 4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（Molten CarbonateMolten CarbonateMolten CarbonateMolten CarbonateFuel Cell,Fuel Cell,Fuel Cell,Fuel Cell,MCFCMCFCMCFCMCFC）（5 5）固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池（Sol

7、id Oxide FuelSolid Oxide FuelCell,Cell,SOFCSOFCSOFCSOFC）低温型低温型PEMFC(80-100)AFC(60-220)PAFC(180-200)中温型中温型MCFC(650)高温型高温型SOFC(1200)效率高n n传统内燃机传统内燃机发电机发电机要将煤、燃油等物质的化学要将煤、燃油等物质的化学能转变为电能的发电过程，是由燃料混合氧、先转能转变为电能的发电过程，是由燃料混合氧、先转变为热能、机械能，再转变为电能的复杂程序，因变为热能、机械能，再转变为电能的复杂程序，因此此一般只有一般只有30%30%左右的效率。左右的效率。n n燃料电池的

8、能量转换效率非常高，它是利用输入燃燃料电池的能量转换效率非常高，它是利用输入燃料混合氧，不经过转换机械能便能持续产生电力，料混合氧，不经过转换机械能便能持续产生电力，也不须传统二次电池所需的充放电程序。以氢气及也不须传统二次电池所需的充放电程序。以氢气及氧气为燃料，利用触媒加速反应速率，氧气为燃料，利用触媒加速反应速率，燃料电池可燃料电池可直接将化学能转变为电能，其效率可接近直接将化学能转变为电能，其效率可接近40%40%，若，若再包括回收余热，效率更可轻易超过再包括回收余热，效率更可轻易超过65%65%。而且只。而且只要正常使用下，燃料提供无虞，无使用时间上的限要正常使用下，燃料提供无虞，无

9、使用时间上的限制。制。无污染无污染n n燃料电池的发电过程，氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，最后生成水，不会造成环境污染。n n以11百万瓦燃料电池的发电厂为例，电厂运转的氮氧化物排放量为1PPM，也没有硫氧化物及粒状污染物，比目前最清洁的天然气发电厂还干净。n n具备低噪音、安静等特色。燃料多样化n n燃料电池所使用的燃料可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。n n燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施(如加油站等)。应用范围广泛n n燃料电池的组成材料简单。n n结构模块化，使得应用范围广泛。n n应用领域包含：太空能源、生命维持系、潜水艇动力、公交

10、车、汽机车、脚踏车、分布式发电、家用独立发电、工商业备用发电系统、Notebook、PDA、手机、电器产品携带式电源、军事国防用途之电源设备等。碱性燃料电池(AFC)碱性燃料电池(AFC)碱性燃料电池成功应用在太空科技上，成为航天飞机的碱性燃料电池成功应用在太空科技上，成为航天飞机的碱性燃料电池成功应用在太空科技上，成为航天飞机的碱性燃料电池成功应用在太空科技上，成为航天飞机的电力供应系统；电力供应系统；电力供应系统；电力供应系统；AFCAFC的副产物是纯净的水，成为航天员饮水用的维生系统。的副产物是纯净的水，成为航天员饮水用的维生系统。的副产物是纯净的水，成为航天员饮水用的维生系统。的副产物

11、是纯净的水，成为航天员饮水用的维生系统。碱性燃料电池的优点Alkaline Fuel Celln n电解质用电解质用NaOHNaOH、KOHKOH碱性物质，如碱性物质，如3030KOHKOH溶液。溶液。n n使用非贵重金属为电极触媒，如镍、钴、锰使用非贵重金属为电极触媒，如镍、钴、锰 n n工作温度大约工作温度大约8080，启动很快，启动很快 n n化学反应快化学反应快n n能量转换效率非常高，首先用于太空计划能量转换效率非常高，首先用于太空计划碱性燃料电池的缺点各国燃料电池开发竞赛中，无法成为主要开发对象各国燃料电池开发竞赛中，无法成为主要开发对象各国燃料电池开发竞赛中，无法成为主要开发对象

12、各国燃料电池开发竞赛中，无法成为主要开发对象n n燃料必须是高纯度的氢燃料必须是高纯度的氢n n制造费用非常贵，不适合工业应用制造费用非常贵，不适合工业应用n n液态液态液态液态电解质的质量易受影响，导致发电性能衰退。电解质的质量易受影响，导致发电性能衰退。电解质为碱性，易与空气中的电解质为碱性，易与空气中的CO2CO2生成生成K2CO3K2CO3、Na2CO3Na2CO3，严重影响电池性能，所以必须除去，严重影响电池性能，所以必须除去CO2CO2质子交换膜燃料电池 (PEMFC)质子交换膜型PEMFC其反应式如下：n n 阳极阳极 H H2 2 2H 2H+2e-+2e-n n阴极阴极 1/

13、2 1/2 O O2 2+2H+2H+2e-+2e-H H2 2O On n全反应全反应 1/2 O 1/2 O2 2+H+H2 2 H H2 2O O 由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子通过外电路才能到达阴极，产生直流电。质子交换膜燃料电池的优点n n高电力密度、低重量、低体积n n电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应之触媒（大部分为白金）n n唯一液体是水，腐蚀问题小n n操作温度低，介于80至100之间，安全n n适用于交通工具、建筑物与小型小区质子交换膜燃料电池的缺点n n内阻稍大，为了加速电极反应，需使用白金作电极催化剂 n n价格昂

14、贵n n白金容易与一氧化碳反应而发生中毒现象，失去催化效果。磷酸型燃料电池Phosphoric Acid Fuel Cells 磷酸型燃料电池n n磷酸化学稳定性好，易得，反应温和。磷酸化学稳定性好，易得，反应温和。n n磷酸盐型燃料电池磷酸盐型燃料电池(PAFC)(PAFC)成为发展最快、研究最成为发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。成熟的一种燃料电池。n n美国通用公司首先建成兆瓦级美国通用公司首先建成兆瓦级PAFCPAFC发电站。发电站。n n日本电力公司在东京湾兴建日本电力公司在东京湾兴建1MW PAFC1MW PAFC发电站。发电站。磷酸型燃料电池的优点Phosphoric Acid

15、 Fuel Cells n n该燃料电池大都运用在大型发电机组上n n电解质为浓磷酸n n操作温度大约为150到220之间n n温度高所以废热可回收再利用n nPAFC是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。磷酸型燃料电池的缺点n n白金价格昂贵，成本居高不下n n电极易受CO毒化n n启动时间长，不适合作移动电源熔融碳酸盐型燃料电池Molten Carbonate Fuel Cell n n熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质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。其电隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电

16、池。其电解质是熔融态碳酸盐。解质是熔融态碳酸盐。n n反应原理如下：反应原理如下：阴阴 极：极：O2+2CO2+4e-2COO2+2CO2+4e-2CO3 32-2-阳阳 极：极：2H2+2CO2H2+2CO3 32-2CO2+2H2O+4e2-2CO2+2H2O+4e总反应：总反应：O2 O2 2H2 2H2O2H2 2H2On n熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池 600600700700熔融碳酸盐型燃料电池Molten Carbonate Fuel Cell 熔融碳酸盐型燃料电池的优点Molten Carbonate Fuel Cell n n工作温度高至工

17、作温度高至650650，不需要低温电池必须的铂系，不需要低温电池必须的铂系催化剂催化剂n n高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失。失。n n废热可回收再使用。高温排放气体可用来与汽轮废热可回收再使用。高温排放气体可用来与汽轮机联合循环，总效率更可达机联合循环，总效率更可达70%70%，适合于中央集，适合于中央集中型发电厂。中型发电厂。n n对燃料的纯度要求相对较低。对燃料的纯度要求相对较低。n n设备相对简单。设备相对简单。熔融碳酸盐型燃料电池的缺点n n操作温度高，液态电解质导致电极的腐蚀问题与渗漏问题n n使用寿命低固态氧化物燃料电池固态氧

18、化物燃料电池(SOFC)(Solid Oxide Fuel Cell)n n电解质为氧化锆，含电解质为氧化锆，含电解质为氧化锆，含电解质为氧化锆，含有少量的氧化钙与氧有少量的氧化钙与氧有少量的氧化钙与氧有少量的氧化钙与氧化钇。化钇。化钇。化钇。固态氧化物燃料电池的优点Solid oxide fuel cell n n电解质为氧化锆，含有少量的氧化钙与氧化钇，稳定度较高。n n电池之操作温度约为1000，不需要触媒重组器。n n废热可回收再利用，因此大都使用于中规模发电机组。n n可忍受较多的硫化物，不受CO影响n n价格较低固态氧化物燃料电池的缺点n n操作温度高导致电池启动慢n n需要更多的

19、保温设备以维持电池高温n n不适用于交通工具与随身携带低温电池（低温电池（低温电池（低温电池（60120601206012060120）中温电池中温电池中温电池中温电池(160220)(160220)(160220)(160220)高温电池高温电池高温电池高温电池(6001000)(6001000)(6001000)(6001000)类型类型类型类型 AFCAFCAFCAFC碱性燃料电池碱性燃料电池碱性燃料电池碱性燃料电池 PEMFCPEMFCPEMFCPEMFC或或或或SPFCSPFCSPFCSPFC质子交换或固质子交换或固质子交换或固质子交换或固体聚合物燃料体聚合物燃料体聚合物燃料体聚合物

20、燃料电池电池电池电池PAFCPAFCPAFCPAFC磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池 MCFCMCFCMCFCMCFC熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料电池电池电池电池 SOFCSOFCSOFCSOFC固态氧燃料电固态氧燃料电固态氧燃料电固态氧燃料电池池池池 特性特性特性特性 无污染无污染无污染无污染,电效率电效率电效率电效率高制造费用非常高制造费用非常高制造费用非常高制造费用非常贵贵贵贵,不适合于工不适合于工不适合于工不适合于工业应用少维护业应用少维护业应用少维护业应用少维护污染排放在很污染排放在很污染排放在很污染排放在很低的水平低的水平低的水平低的水平,低噪低

21、噪低噪低噪音音音音,固体电解质固体电解质固体电解质固体电解质适合于大规模适合于大规模适合于大规模适合于大规模生产生产生产生产,与常规技与常规技与常规技与常规技术相比很贵术相比很贵术相比很贵术相比很贵低污染低污染低污染低污染,低噪低噪低噪低噪音音音音,是热电联产是热电联产是热电联产是热电联产电厂的三倍费电厂的三倍费电厂的三倍费电厂的三倍费用用用用,随着随着随着随着连续运行电效连续运行电效连续运行电效连续运行电效率降低率降低率降低率降低有效利用能源有效利用能源有效利用能源有效利用能源,低噪音低噪音低噪音低噪音,没有外没有外没有外没有外部气体配置部气体配置部气体配置部气体配置,腐蚀性电解液腐蚀性电解

22、液腐蚀性电解液腐蚀性电解液有效利用能源有效利用能源有效利用能源有效利用能源,低噪音低噪音低噪音低噪音,没有没有没有没有外部气体配置外部气体配置外部气体配置外部气体配置,腐蚀性电解液腐蚀性电解液腐蚀性电解液腐蚀性电解液对材料的要求对材料的要求对材料的要求对材料的要求非常苛刻非常苛刻非常苛刻非常苛刻电解体电解体电解体电解体氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液 质子可渗透膜质子可渗透膜质子可渗透膜质子可渗透膜 磷酸磷酸磷酸磷酸 锂和碳酸钾锂和碳酸钾锂和碳酸钾锂和碳酸钾 固体陶瓷体固体陶瓷体固体陶瓷体固体陶瓷体 燃料燃料燃料燃料纯氢纯氢纯氢纯氢 氢，甲醇天然氢，甲醇天然氢，甲醇天然氢，甲醇

23、天然气气气气 天然气，氢天然气，氢天然气，氢天然气，氢 天然气煤气天然气煤气天然气煤气天然气煤气沼气沼气沼气沼气 天然气煤气天然气煤气天然气煤气天然气煤气沼气沼气沼气沼气 氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂纯氧纯氧纯氧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 大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气 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系统的电效率系统的电效率 60-9060-9060-9060-90 43-5843-5843-5843-58 37-4237-4237-4237-42 50%50%50%50%50-65%50-65%50-65%50-65%燃料电池分类燃料电池分类