應(yīng)用化學(xué)34燃料電池

1、燃料電池及燃料電池電動車內(nèi) 容 提 要燃料電池(Fuel Cell)的基本原理及組成燃料電池的分類質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池的發(fā)展趨勢燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)及特點燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展n燃料電池(fuelcell)發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的第四類發(fā)電技術(shù)。n它是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。n自1839年GRGrove建造世界上第一個燃料電池以來，燃料電池已經(jīng)歷150余年的發(fā)展歷史。然而，真正引起科學(xué)家廣泛興趣的是始于20世紀(jì)50年代Bacon型燃料電池的研究和進(jìn)展。n燃料電池的首次實際

2、應(yīng)用是在1960年作為宇宙飛船的空間電源，此后燃料電池技術(shù)開始迅速發(fā)展，6070年代集中研究航空、航天方面用的燃料電池，80年代后期重點研究地面用的燃料電池。n世界上美國、蘇聯(lián)、加拿大、日本等國家從那時起都投人了很大力量進(jìn)行研究和開發(fā)。至今，已研制成了從幾瓦的小功率燃料電池到兆瓦級的發(fā)電站的燃料電池樣機 燃料電池通過氧與氫（或其他燃料）結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。二個電極被一個位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開。 下圖為燃料電池基本原理示意圖?？ㄖZ循環(huán)原理n卡諾循環(huán)(Carnot cycle) 是由法國工程師尼古拉萊昂納爾薩迪卡諾于1824年提出的，以分析熱機的工作過程

3、，卡諾循環(huán)包括四個步驟: 等溫吸熱，等溫吸熱， 絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態(tài)1(P1，V1，T1)等溫吸熱到狀態(tài)2(P2，V2，T2)，再從狀態(tài)2絕熱膨脹到狀態(tài)3(P3，V3，T3)，此后，從狀態(tài)3等溫放熱到狀態(tài)4(P4，V4，T4)，最后從狀態(tài)4絕熱壓縮回到狀態(tài)1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構(gòu)成的循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。新款燃料電池 燃料可以是等，氧化劑一般是氧氣或空氣，電解質(zhì)可為 ，燃料和氧化劑由電池外部分外部分別供給別供給電池的陽極和陰極，陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動，電子通過

4、外電路做功并構(gòu)成電的回路。 與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。 它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是中。當(dāng)電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時也要排除一定的廢熱，以維持電池工作溫度的恒定。只決定的大小，其儲存能量則由儲存在儲罐內(nèi)的燃料與氧化劑的量決定。 1.2 燃料電池系統(tǒng)組成 單獨的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的，它必需和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)氧化劑供給系統(tǒng)、水水/熱管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)和一個能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，簡稱。1 燃料電池組2 輔助裝置和關(guān)鍵設(shè)備：

5、 (1)燃料和燃料儲存器（包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器）(2)氧化劑和氧化劑存儲器(3)供給管道系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括氣體輸送泵、熱交換器、氣體分離和凈化裝置）(4)水和熱管理系統(tǒng)2、燃料電池的分類高溫型高溫型中溫型中溫型低溫型低溫型按工作溫度按工作溫度按燃料來源按燃料來源直接式燃料電池（直接式燃料電池（如直接甲醇燃料電池如直接甲醇燃料電池 ）間接式燃料電池（間接式燃料電池（如甲醇通過重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃如甲醇通過重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料料電池的燃料 ）再生類型再生類型NEXTBACK按電解質(zhì)類型按電解質(zhì)類型2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange m

6、embrane fuel cell-PEMFC） 質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜（例如全氟磺酸膜）；4）雙極板。 工作時，在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉樱踉拥玫綇年枠O傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。下圖是質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖在電極上的這些反應(yīng)如下：陽極：陰極：整體： 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。

7、每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，。22H4H4e22O4H4e2H O2222HO2H O500kw質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電極材料：電極材料： 正極：高分散正極：高分散Pt 負(fù)極：高分散負(fù)極：高分散Pt ( Ru (釕釕)電解質(zhì)：電解質(zhì)： 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜工作溫度：工作溫度：25125燃料：燃料： H2 或甲醇或甲醇電池反應(yīng)電池反應(yīng): CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O優(yōu)點：優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高再循環(huán)，效率高

8、缺點：缺點：制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應(yīng)電極反應(yīng): 負(fù)極：負(fù)極： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正極：正極： 6H + 6e +1.5O2=3H2O+典型的典型的PEMFC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)PEMFC箱體箱體5KW電池組電池組（第一代）（第一代）200W電池組（第一代）電池組（第一代）PEMFC試驗電廠試驗電廠HOME2.2堿性燃料電池（alkaline fuel cell-AFC） 堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水。 堿性燃料電池的設(shè)計基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)

9、為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。電化學(xué)反應(yīng)： 陽極反應(yīng)： 陰極反應(yīng)： 堿性燃料電池的工作溫度大約80。因此啟動也很快，但其能量密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。22H4OH4H O4e22O2H O4e4OH堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFC）電極材料：電極材料： 正極：高分散正極：高分散Ni 負(fù)極：高分散負(fù)極：高分散Ni電解質(zhì)：電解質(zhì)： KOH 或或 NaOH工作溫度：工作溫度：室溫室溫100燃料：燃料： H2 電池反應(yīng)電池反應(yīng): 2H2+O2=2H2O優(yōu)點：優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需無需貴金屬

10、催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高再循環(huán)，效率高缺點：缺點：制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應(yīng)電極反應(yīng): 負(fù)極：負(fù)極：2H2 + 4OH 4e = 4H2O 正極：正極：O2 + 2H2O + 4e = 4OH-2.3磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度要位于150 - 200左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對

11、雜質(zhì)的耐受性較強。 磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。優(yōu)點是構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。 磷酸型燃料電池（磷酸型燃料電池（PAFC）電極材料：電極材料： 正極：高分散正極：高分散Pt 負(fù)極：高分散負(fù)極：高分散Pt電解質(zhì)：電解質(zhì)： 濃濃H3PO4工作溫度：工作溫度：180210燃料：燃料： H2電池反應(yīng)電池反應(yīng): 2H2 + O2 = 2H2O優(yōu)點：優(yōu)點：抗抗CO2，可應(yīng)用于獨立電站，可應(yīng)用于獨立電站缺點：缺點：貴金屬催化劑對貴金屬催化劑對CO敏感敏感1，電解質(zhì)電導(dǎo)率低，電解質(zhì)電導(dǎo)率低電極反應(yīng)電極反應(yīng)：負(fù)

12、極：負(fù)極：2H2 - 4e=4H 正極：正極：O2 + 4H + 4e = 2H2O+2.4熔融的碳酸鹽燃料電池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 熔融的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池使用熔融的鋰鉀碳酸鹽或者使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650時，這種鹽就會熔融，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，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。 陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)： 。且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)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(dá)60%。 這種電池需要較長的時間

13、方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運輸。23222COHH OCO2e22232COO4e2CO熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）電極材料：電極材料： 正極：高分散正極：高分散Ni 負(fù)極：高分散負(fù)極：高分散Ni電解質(zhì)：電解質(zhì)： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作溫度：工作溫度：600700燃料：燃料： CO 或或 H2電池反應(yīng)電池反應(yīng): 2CO + O2 = 2CO2優(yōu)點：優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，電池內(nèi)部重整容易，無需貴金屬催化劑，電池內(nèi)部重整容易，Ni催化劑不怕催化劑不怕CO中毒中毒缺點：缺點：電極材料壽命短，機械穩(wěn)定性差，陰極需補充電極材料壽命短，機械穩(wěn)定性差，陰極

14、需補充CO2，腐蝕，腐蝕電極反應(yīng)電極反應(yīng): 負(fù)極：負(fù)極：2CO 4e + 2CO3 = 4CO2 正極：正極：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO32-2-2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell-SOFC） 固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。 陽極反應(yīng)陰極反應(yīng): 固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。

15、由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具有為車輛提供備用動力的潛力。222HOH O2e22COOCO2e22O4e2O固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）電極材料：電極材料： 正極：多孔正極：多孔Ni 負(fù)極：多孔負(fù)極：多孔Ni電解質(zhì)：電解質(zhì)： ZrO2工作溫度：工作溫度：9001000燃料：燃料： H2 或或CO電池反應(yīng)電池反應(yīng): 2H2+O2=2H2O優(yōu)點：優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高再循環(huán)，效率高缺點：缺點：制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，價格昂貴制備工藝復(fù)雜，工作溫度高，

16、價格昂貴電極反應(yīng)電極反應(yīng): 負(fù)極：負(fù)極：2H2 + 2O 4e = 2H2O 正極：正極：O2 + 4e = 2O2-2-3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀 燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。 由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本是非常高的，約為每平米600美元。其中膜的成本占20%30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。據(jù)研究計劃報道，其第三代質(zhì)子交換膜BAM3G，價格將為每平米50美元。4燃料電池的現(xiàn)狀 目前

17、，使用燃料電池面臨的主要問題： 1 燃料問題 氧氣可以直接從空氣中獲得，比較省力；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進(jìn)來，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟。 2 安全問題 氫氣是易燃?xì)怏w，使用時要防止泄露，爆炸等危險情況的發(fā)生。 阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問題。 5燃料電池汽車（FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle)的基本結(jié)構(gòu) 燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，

18、它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅(qū)動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。 5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有四種結(jié)構(gòu): (1) PFC只有燃料電池一個能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動時間、耐起動循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。 (2) FCB有燃料電池和輔助動力裝置(蓄電池或超級電容)兩個動力源。通常燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時所需的平均功率，而輔助動力裝置用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。這樣動力系統(tǒng)的動力性增

19、強，運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運行效率得到提高。 (3)燃料電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FCC)、 (4)燃料電池加輔助電池加超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FCBC) 。 燃料電池混合動力(FCB)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 根據(jù)這一連接形式的不同可將動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類:直接燃料電池混合動力系統(tǒng),燃料電池與電機驅(qū)動系統(tǒng)之間直接相連;間接燃料電池混合動力系統(tǒng),燃料電池與電機驅(qū)動系統(tǒng)之間通過DC/DC變換器間接相連。 間接間接燃料燃料電池電池混合混合動力動力系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 上圖中的電力、電子裝置部分包括DC/DC變換器和電機控制器等，它們之間不同的布置方式會導(dǎo)致燃料電池和電機驅(qū)動系統(tǒng)之間連接形式的不同。直直接接燃燃料

20、料電電池池混混合合動動力力系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)5.2燃料電池汽車的特點1、效率高效率高 燃料電池汽車路試時可以達(dá)到4050%的效率而普通汽車只有1016%。燃料電池汽車總效率比混合動力汽車也要高。2、燃料電池電動汽車僅排放熱和水高效、環(huán)境友好的清潔汽車。燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對石油的依存度，超過警戒線30%，預(yù)計2020年60%。5.3燃料汽車的工作過程 當(dāng)氫氣和氧化劑進(jìn)入燃料電池后，用燃料電池控制模塊對燃料電池的壓力、溫度和反應(yīng)速度以及燃料電池的負(fù)荷變化進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),控制燃料電池正常運轉(zhuǎn)和發(fā)生故障后的應(yīng)急處理。在燃料電池運作的過程中,采用熱管理模塊和產(chǎn)出物管理模塊對廢熱的使用和排放的

21、HO、CO、CO等進(jìn)行處理，使反應(yīng)過程連續(xù)進(jìn)行。6燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展 在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。因而汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、日本豐田和本田等。 國內(nèi)有上海的超越號，東風(fēng)的楚天一號。通用Hy-wire氫動三號 由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里。 通用Hy-wire氫動三號的電池組 通用汽車氫燃料電池車Sequel Se