燃料电池技术2

燃料电池技术2本节内容•7-3磷酸型燃料电池(简称为PAFC)•7-4熔融碳酸盐型燃料电池(简称为MCFC)•7-5固体电解质型燃料电池(SOFC)•7-6固体高分子型燃料电池(PEMFC或PEPC)•7-7直接甲醇型燃料电池（DMFC）磷酸型燃料电池(简称为PAFC)一、原理：•磷酸型燃料电池简称PAFC，它以磷酸为电解质，使用天然气或者甲醇等为燃料，在约200℃温度下使氢气与氧气发生反应，得到电力与热。•--磷酸型燃料电池原理图。•在燃料极中，氢分解成氢离子与电子，氢离子在电解质中移动，电子则通过外部回路达到空气极；电解质因为使用磷酸水溶液，而这种水溶液是强电解质，分解成磷酸离子与氢离子和电子。氢离子在电解质内向空气极移动。磷酸型燃料电池(简称为PAFC)二、特征与工作温度1、特征：*①低温下发电时，稳定性好。②反应后排出的热量的温度适合于人类日常生活。③启动时间短。④催化剂必须要有白金c⑤电池燃料中如果co含量高，易引起催化剂中毒。2、工作温度：•常选择温度范围在180—210℃作为磷酸型燃料的反应温度。7-3磷酸型燃料电池(简称为PAFC)三、燃料重整反应•当燃料电池用化石燃料为燃料时，必须要把碳氢混合物变为氢气。称为燃料重整。•氢气制造的方法主要有：水蒸气重整法和部分氧化法两种。四、电池催化剂：为促进电极的反应，常使用催化剂。为使反应速度加快必须要有高活性的催化剂。•反应中常用白金、铬、钛等合金作为固体催化剂、实际上由于有氧化硫和一氧化碳的污染，常用白金——合金作为催化剂。7-3磷酸型燃料电池(简称为PAFC)五、电解质电解质除上面所述要求蒸气气压低、化学稳定，还须满足下列条件：•(1)高温动作。(2)耐co腐蚀。(3)不妨害电极的化学反应。(4)离子导电性高。(5)腐蚀性低。(6)纯度高。(7)可湿性。故选磷酸水溶液。7-3磷酸型燃料电池(简称为PAFC)六、现状及动向•目前，磷酸型燃料电池已经商用化，世界上已有100多台磷酸型燃料电池在运行中。•世界最大级的11000kw装置安装在日本东京电力五井火力发电厂内，并曾并入电网供电。•磷酸型燃料电池的发电效率可达30％—40％，加再将其余热加以利用．其综合效率可达60％—80％，因此己将其应用于多种领域。•由于磷酸型燃料电池工作温度低，效率不是很高，且耍用白金作催化剂，燃料中co易引起催化剂中毒，因此对燃料的要求较高。目前世界各国对其花的财力、人力、物力均不多。熔融碳酸盐型燃料电池•一、原理•熔融碳酸盐型燃料电池简称MCFC，它以碳酸锂(Li2CO3)、碳酸钾(K2CO3)及碳酸钠(NaCO3)等碳酸盐为电解质，在燃料极(负极，阳极)与空气极(正极，阴极)中间夹着电解质，工作温度为600—700℃，电池本体的发电效率可达45％—60％，电极采用镍的烧结体．•碳酸盐型燃料电池所使用的燃料范围广泛，以天然气为主的碳氢化合物均可，如碳氢气、甲烷、甲醇、煤炭、粗制油等。7-4熔融碳酸盐型燃料电池二、特征与工作温度•熔融碳酸盐型燃料电池以碳酸盐为电解质，具有以下特征：•(1)工作温度为600~700℃，在这一温度下氢与氧的活性大大提高，可以有较高的发电效率。•(2)不产生催化剂co中毒问题，可以使用的燃料的范围大大增加。•(3)排热温度高，可以与燃气轮机与蒸汽轮机联动，进行复合发电，更大地提高燃料使用率。•(4)增加压力可以加强其反应，通常工作压人约为5~12atm•(5)因为其工作温度高，且使用强腐蚀性的材料，所以技术上的难度相当大.7-4熔融碳酸盐型燃料电池三、现状与动向•多年来，熔融碳酸盐型燃料电池一直是世界各国燃料电池研究的重点。•目前，美国已成功进行了2Mw熔融碳酸盐型燃料电池的试验；美国FCE公司的1台250kw的熔融碳酸盐型燃料电池已连续运行了11000h以上，其热量综合利用总效率达到75％，其中8个月处于无人操作状态。可以说熔融碳酸盐型燃料电池的水平已很接近实用化水平。•中国也已开展了对熔融碳酸盐型燃料电池的研究，大连物化所和上海交通大学均成功地进行了发电试验。固体电解质型燃料电池(SOFC)一、原理：•固体电解质型燃料电池简称SOFC，它利用氧化物离子导电的稳定氧化锆等作为电解质，其两侧是多孔的电极(燃料极和空气极)。固体电解质型燃料电池的工作温度高于熔融碳酸盐型电池，一般为900~1000℃，发电效率可达45~65%。•燃料电池可使用天然气、甲烷、煤炭等作为燃料。7-5固体电解质型燃料电池(SOFC)二、现状与动向•目前，美国在固体电解质型燃料电池技术方面处于世界领先地位。美国WH公司以研究圆筒型电池为主，其开发的25KW级电堆已经运行了13000h，1998年又与荷兰、丹麦合作，开发100kW的电堆。Alliedsignal公司及z—tekk公司则从事平板型电池的研究，也有很大进展。•中国在一些研究所与大学中开展了基础研究，目前已有小功率(几十W)的固体电解质型燃料电池发电成功的例子。研究成果显著的研究所和大学有上海硅酸盐研究所、大连化学物理研究所、吉林大学、清华大学、中国科技大学、华中理工大学等。7-6固体高分子型燃料电池(PEMFC或PEPC)一、特征：1、优点：*（1）固体高分子型燃料电池的输出密度高，可以制成小型轻量化的电池；（2）其电解质是固体的，不会流失，易于差压控制；（3）其构造简单，电解质不会腐蚀，寿命长，工作温度低，材料选择方便，（4）起动停止也易于操作。2、不足：（1）必须要用白金作催化剂。（2）其燃料与磷酸型电池相同，限于氢气．（3）成本较高。固体高分子型燃料电池(PEMFC或PEPC)二、适用范围①此类燃料电池的发展最初主要是由于军事上的应用。②此类电池可以用于车辆上是它的一个优势，③燃料电池还可考虑用于家庭。④发电。固体高分子型燃料电池(PEMFC或PEPC)三、现状及动向•随着膜技术的发展及环境问题的日益突出，固体高分子型燃料电池的研究开发越来越成为热点。目前世界主要汽车厂家，如福特、GM、丰田、奔驰等，均宣传要把燃料电池用于汽车上。•问题：成本；效率、燃料选择等直接甲醇型燃料电池（DMFC）•特点：•直接甲醉型燃料电池简称DMFc，是一种不通过重整甲醇来生成氢，而是直接把蒸气与甲醇变换成质子(氢离子)而发电的燃料电池。因为它不需要重整器，因此可以做得更小，更适合于汽车等应用。•目前这种电池还处于基础研究阶段，真正实用化估计还需10年以上的时间。前景展望•燃料电池可分为四代。第一代为磷酸型燃料电池（PAFC），第二代为熔化碳酸盐型燃料电池（MCFC），第三代为固体电解质型燃料电池，第四代为固体高分子型燃料电池（PEFC）。•目前，美国的燃料电池发电量，用于工业的可达4000万千瓦，生活民用可达1900万千瓦。据日本有关方面的预测，到2005年时，日本的燃料电池发电将达3500万千瓦。预计美、日两国10年后燃料电池发电能力可达到1亿千瓦，相当于上百座的大型发电站或5座三峡发电站。前景展望•现在燃料电池的发展速度非常之快。按照各国定的计划，到2000年，日本的燃料电池发电量将接近2200兆瓦，美国的将达到500～2000兆瓦，欧洲的将达到500～900兆瓦。到2010年，全世界燃料电池的总装机容量将达到60000兆瓦。•燃料电池作为一种新型能源，现在造价还比较高，寿命还不够长，功率还比较小。但是，随着有关研究工作的深入，这些问题将会得到解决。许多科学家认为，•在21世纪知识经济时代，燃料电池在能源领域里将占举足轻重的地位，因此，掌握第四代发电技术，研制和发展燃料电池具有跨世纪的意义。我国燃料电池未来的市场发展前景•首先是在电动汽车方面的应用，北京在搞燃料电池城市客车，上海在搞燃料电池轿车。在北京2008年奥运会上，将有燃料电池的汽车提供使用。•其次，燃料电池发电系统可应用于航天的地面及飞行器的电源，空间站的再生燃料电池系统，也可作为潜艇、舰艇用的动力装置。•第三，小型移动电源可用于包括军民用的车载电源、备用电源、不间断电源、便携电源。•第四，可作为交通工具的动力源，如助动车、摩托车、场地车、汽车、火车、船舶、飞机等。•第五，可用于电站，如电网共用、独立供电等等。总之，我国燃料电池发电系统的应用前景是十分广阔、十分诱人的。磷酸型燃料电池原理图日本东京11000kwPAFC装置西屋公司在荷兰安装的SOFC示范电厂-110kW福特福克斯燃料电池汽车示意图安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站