第七章_燃料電池

1、第七章第七章 燃料電池燃料電池Fuel cellv早在年，英國(guó)科學(xué)家威廉格羅夫就提出了氫氧燃料電池的原理。一、一、 前言前言 1960s，美國(guó)阿波羅宇宙飛船上開(kāi)始使用堿性燃料電池。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)v將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。v燃料電池構(gòu)造簡(jiǎn)單，噪音小。v理論上，應(yīng)用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而內(nèi)燃機(jī)只能達(dá)到。12TT-1卡燃料電池汽車的發(fā)展與現(xiàn)狀v1993年，加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司P.158 163二、燃料電池的分類二、燃料電池的分類（5）固體氧化物燃

2、料電池（SolidOxideFuelCell,SOFC）（一）根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的不同（一）根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的不同 （二）根據(jù)操作溫度來(lái)分類（二）根據(jù)操作溫度來(lái)分類（1）低溫型PEMFC(80-100oC)AFC(60-220oC)PAFC(180-200oC)（2）中溫型MCFC(650oC)（3）高溫型SOFC(1200oC)三、不同燃料電池的工作原理三、不同燃料電池的工作原理陽(yáng)極反應(yīng)2H2+4OH-4H2O+4e-陰極反應(yīng)4e-+O2+2H2O4OH-總反應(yīng)2H2+O22H2O陽(yáng)極燃料：純氫陽(yáng)極燃料：純氫陽(yáng)極：碳載的Pt、Pd、Ni陰極：碳載的Pt、Ag電解質(zhì)：電解質(zhì)：35-50%KO

3、H溶液溶液v可使用非貴金屬為電極催化劑，例如銀、鎳等v操作時(shí)所需溫度較低，為100 oC-250 oCv化學(xué)反應(yīng)快且轉(zhuǎn)化效率高堿性染料電池的優(yōu)點(diǎn)：堿性染料電池的優(yōu)點(diǎn)：堿性染料電池的缺點(diǎn)：堿性染料電池的缺點(diǎn)：v電解質(zhì)腐蝕嚴(yán)重，壽命較短v燃料必須是高純度的氫v堿性燃料電池的電解質(zhì)，易與空氣中的二氧化碳結(jié)合形成碳酸鉀，影響電解質(zhì)的品質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)電性能衰退,要使用純氧做氧化劑 氫的陽(yáng)極氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的陰極還原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O陽(yáng)極燃料：氫氣或甲醇陽(yáng)極燃料：氫氣或甲醇電解質(zhì)：磺酸型質(zhì)子傳導(dǎo)膜電解質(zhì)：磺酸型質(zhì)子傳導(dǎo)膜陽(yáng)極：碳載Pt陰極：碳載Ptv易組裝、高功率、

4、低重量、低體積v電解質(zhì)為離子交換膜，無(wú)腐蝕，薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑（大部分為金屬鉑）v唯一液體是水，腐蝕小v操作溫度低，介于80-100，比較安全，且可室溫快速啟動(dòng)v適用于交通工具、便攜設(shè)備、建筑物與小型社區(qū)v催化劑鉑價(jià)格昂貴，減少使用量，操作溫度會(huì)提升v鉑容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象v固體電解質(zhì)昂貴車載的甲醇重整制氫裝置車載的甲醇重整制氫裝置Fe2O3或CuO22223NCOCOHAirOHOHCHNiSelectiveoxidationAuH2,CO2,N2(10ppmCO)DMFC陽(yáng)極（PtRu/C）：CH3OH+H2OCO2+6H+6e-陰極（Pt/C）：3/2O2+6

5、H+6e-3H2O甲醇燃料電池這種燃料電池以甲醇為能量來(lái)源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。陽(yáng)極燃料：氫氣或天然氣重整富陽(yáng)極燃料：氫氣或天然氣重整富 氫氣體氫氣體氫的陽(yáng)極氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的陰極還原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O電解質(zhì)：磷酸電解質(zhì)：磷酸陽(yáng)極：碳載Pt陰極：碳載Ptv用于大型發(fā)電機(jī)組上，已經(jīng)商業(yè)化v操作溫度較低，介于150-220v催化劑鉑價(jià)格昂貴vPt容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象v酸性電解液具有腐蝕作用，壽命小于40000小時(shí)陽(yáng)極燃料：氫氣、煤氣、天然氣陽(yáng)極燃料：氫氣、煤氣、天然氣 或沼氣或沼氣陰 極： O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32

6、-陽(yáng) 極： 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e總反應(yīng)： O2 2H2 2H2O電解質(zhì)：電解質(zhì)：52%碳酸鋰和碳酸鋰和48%碳酸鉀碳酸鉀 的混合鹽的混合鹽陽(yáng)極：多孔鎳陰極：鋰鎳氧化物COCOCO30 KW電池系統(tǒng)流程圖電池系統(tǒng)流程圖v電解質(zhì)為碳酸鋰和碳酸鉀的低熔點(diǎn)混合物，性質(zhì)穩(wěn)定v陽(yáng)極使用透氣性的多孔鎳，廉價(jià)v燃料多樣化，可使用煤氣、天然氣或沼氣（加重整器）v可回收利用廢熱，發(fā)電效率高，適合于集中型發(fā)電廠v電池價(jià)格低v操作溫度為600-700oC，易導(dǎo)致電極腐蝕陽(yáng)極燃料：氫氣、煤氣、天然氣、陽(yáng)極燃料：氫氣、煤氣、天然氣、沼氣沼氣陽(yáng)極材料：Ni-YSZ金屬陶瓷陰極材料：參雜的LaM

7、nO3或LaCoO3電解質(zhì)為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯電解質(zhì)為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯電解質(zhì)：固體陶瓷（電解質(zhì)：固體陶瓷（YSZ）v使用全固體組件，不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問(wèn)題v廢熱可回收利用v適用于中等規(guī)模發(fā)電機(jī)組v可忍受較多的硫化物v不受CO影響，燃料范圍廣，包括H2，CO、天然氣、煤氣，碳?xì)浠衔铩H3、H2Sv電池價(jià)格低v操作溫度約1000oC，電池啟動(dòng)慢，需要保溫設(shè)備v不適用于交通工具和隨身攜帶 低溫燃料電池低溫燃料電池（60220) 中溫型中溫型 高溫型高溫型650 oC 1000 oC類型類型 AFC堿性燃料電池 PEMFC質(zhì)子交換或固體聚合物燃料電池PAFC磷酸燃料電池 MCFC熔融碳酸燃

8、料電池 SOFC固態(tài)氧燃料電池 特性特性 無(wú)污染,電效率高制造費(fèi)用非常貴,不適合于工業(yè)應(yīng)用少維護(hù)污染排放在很低的水平,低噪音,固體電解質(zhì)適合于大規(guī)模生產(chǎn),與常規(guī)技術(shù)相比很貴低污染, 低噪音,是熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的三倍費(fèi)用, 隨著連續(xù)運(yùn)行電效率降低有效利用能源, 低噪音,沒(méi)有外部氣體配置, 腐蝕性電解液有效利用能源, 低噪音, 沒(méi)有外部氣體配置,腐蝕性電解液對(duì)材料的要求非?？量屉娊怏w電解體氫氧化鉀溶液 質(zhì)子交換膜 磷酸 碳酸鋰和碳酸鉀 固體陶瓷體 燃料燃料純氫 氫，甲醇 天然氣，氫 天然氣煤氣沼氣 天然氣煤氣沼氣 氧化劑氧化劑純氧大氣中的氧氣 大氣中的氧氣 大氣中的氧氣 大氣中的氧氣 系統(tǒng)的電效率系統(tǒng)的電效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% P170四、汽車使用燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)（P171）v能量轉(zhuǎn)換效率高（內(nèi)燃機(jī)汽車：11%；燃料電池40-70%），節(jié)能效果顯著v低污染（NOx、HC、SOx、微粒）v性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車v過(guò)載能力強(qiáng)v結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)v燃料來(lái)源豐富缺點(diǎn)：v質(zhì)子交換膜燃料電池的原料單一v要求高質(zhì)量的密封