燃料电池技术-第一章-燃料电池简介

燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料电池技术课件课件燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介碱性燃料电池质子交换膜燃料电池直接甲醇燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池燃料电池燃料电池概述、发展、工作原理基础理论与研究方法研究前沿燃料与氧化剂供应各种燃料电池44学时学时66学时学时44学时学时22学时学时1616学时学时一、课程内容简介燃料电池中的热力学、动力学、电催化理论简介、传质及表征方法燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介（二）课程要求：本课程要求学生上课不迟到、不早退、不旷课，请假需要有正规假条；能够按照要求认真完成作业。课程教学中提倡学生积极参与。二、成绩考核成绩考核由以下部分组成：（一）平时成绩：出勤及课堂讨论（15%）、作业（15%）。（二）期末考试成绩：闭卷考试（70%），采用百分制。（三）最终成绩=平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介三、教材及参考资料（一）教材肖刚，《燃料电池技术》，电子工业出版社，2009年。（二）参考资料奥海尔，等著；王晓红，等译，《燃料电池基础》，电子工业出版社，2007年10月。衣宝廉，著，《燃料电池——原理·技术·应用》，化学工业出版社，2003年8月。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介第一章燃料电池简介燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料电池是一种能够持续地通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应等温的将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。--------简单地说简单地说，，燃料电池燃料电池(Fuel(FuelCellCell，，简称简称FC)FC)是一是一种种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能能的电化学装置的电化学装置。。燃料电池的定义燃料电池的定义：：燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n普通电池(Battery)-----能量储存装置e.g.，LithiumIonBatteryn燃料电池(FuelCell)-----能量转换装置燃料电池与其他电池的区别燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介传统技术热能动能电能燃料电池燃料电池化学能图燃料电池直接发电与传统间接发电的比较燃料电池是继火电、水电和核电之后的燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四种发第四种发电电方式，与传统发电相比，燃料电池的能量转变过方式，与传统发电相比，燃料电池的能量转变过程是程是直接方式直接方式。。转换效率30-40%可达70%以上燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介能源问题：n化石能源日益枯竭n能源价格攀升当前燃料电池的研发背景能源与环境制，转换效率只有33-35%n传统能源受卡诺循环及现代材料的限燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介1212111TTQQQWCarnot-=-==hØ等温膨胀：状态(p1V1T1)→状态(p2V2T1)，系统从环境中吸收热量、+Q；Ø绝热压缩：状态(p4V4T2)→状态(p1V1T1)，环境对系统作功、-W。Ø绝热膨胀：状态(p2V2T1)→状态(p3V3T2)，系统对环境作功、+W；Ø等温压缩：状态(p3V3T2)→状态(p4V4T2)，系统向环境中放出热量、+Q；等温线T1、高温等温线T2、低温卡诺循环卡诺循环::由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环所组成的理想循环Ø卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关。Ø在相同温度的高、低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于可逆卡诺热机的效率燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介u据公安部统计，截止2016年年底，我国汽车保有量达到2.9亿辆，49个城市汽车保有量超过100万辆。北京、天津、成都、深圳、上海、广州、苏州、杭州等18个城市汽车保有量超过200万辆，其中北京超过540万辆。u汽车保有量的迅速增加，严重加剧了空气污染。全国许多城市空气污染严重，其中65%的城市环境污染、25%的二氧化碳、70%的有毒气体来自于汽车尾气，并且是PM2.5的主要来源。u大城市空气质量严重污染严重的雾霾燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介汽车对燃油的消耗发展新能源l我国汽车的普及率完全可能接近发达国家的水平----每千人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。l按每辆汽车年消耗燃油1吨计（目前欧洲的水平1.5吨，日本1吨，中国2.2吨），4.5亿辆车需要4.5亿吨燃油。l有关专家预测，2020年国内的石油年产量可达到1.8亿吨，如进口2.7亿吨，共计4.5亿吨。如其中2/3给汽车用，炼成燃油约2亿吨。汽车燃油存在2.5亿吨以上巨大缺口。4.5吨原油3吨燃油燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介传统能源带来的环境问题：Ø传统化石材料，煤炭、汽、柴油的燃烧释放COx、NOx、SOx气体和粉尘Ø大量的废水、废渣、废热和噪声污染汽车尾气排放全球变暖冰川融化燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介使用混合动力--锂电子电池/铅酸电池，通常电动汽车充一次电能跑150公里左右u百公里只需10度电，如果每度电以0.5元计算，最多也就花费5元钱。u汽车百公里耗油最低也要10升，得花费70多块钱，费用相对高很多8.06升/百公里*7元/升=56.42元/百公里燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n充电难、基础设施滞后-----如果建立电动汽车充电站，那么在这么拥挤的城市里应该在什么地方选址？n市场汽车保有率是否达到维持充电站的费用？n电动汽车充电时间较长者能达到七八个小时，短则需要一两个小时，市民将汽车放置于充电站后，又怎样解决交通问题？n充电----离不开煤炭等传统化石燃料的发电。充电电动汽车存在的问题：充电电动汽车存在的问题：燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n能源危机n环境污染1.提高传统效率2.2.发展新能源发展新能源能源化学工程专业能源化学工程专业燃料电池技术燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介主要内容主要内容1.1发展、工作原理发展、工作原理1.2燃料电池构成燃料电池构成1.3燃料电池的分类燃料电池的分类1.4燃料电池的特性燃料电池的特性1.5燃料电池的展望燃料电池的展望燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介1.11.1燃料电池的发展历史燃料电池的发展历史u1790年，英国化学家尼科尔森,W.WilliamNicholson(1753~1815)，设计了一个伏打电池堆，将导线放在水里通过电流时，发现导线两端有气泡冒出，经分析是氧气和氢气H2OH2+O2电解uu18391839年，英国人格洛夫，年，英国人格洛夫，SirWilliamRobertGrove(1811–1896)，设计了一个实验方法，让氧气和氢气缓慢“燃烧”，设计了一个实验方法，让氧气和氢气缓慢“燃烧”，反应过程中产生了微弱的电流反应过程中产生了微弱的电流------------------燃料电池的雏形燃料电池的雏形WilliamNicholson燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料电池之父的第一个燃料电池装置燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介1889年，L.Mond和C.Langer以铂黑为电催化剂，以钻孔的铂为电流收集器组装出燃料电池，当工作电流密度为3.5mA.cm-2时，电池的输出电压为0.73V。这个研究已经很接近现代的燃料电池。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介18971897年年，，能斯特发明能斯特发明““能斯特物质能斯特物质””--------YSZYSZ（（8585%%ZrOZrO22++1515%%YY22OO33))，，该物质是目前广泛使用的该物质是目前广泛使用的高高温固体氧化物燃料电池的电解质材料温固体氧化物燃料电池的电解质材料；；19321932--19591959年年，，英国剑桥大学的化学家法兰西斯培根英国剑桥大学的化学家法兰西斯培根，，设设计了一个电池组计了一个电池组，，在高温高压下为电池输入氢气和氧在高温高压下为电池输入氢气和氧气气，，制作出一个制作出一个55kWkW的燃料电池组的燃料电池组，，能够推动能够推动电焊机电焊机，，电锯电锯，，及堆高机及堆高机（（LifterLifter））工作工作；19591959年年，，艾丽斯艾丽斯--查尔莫斯公司开发出查尔莫斯公司开发出第一辆第一辆1515KWKW碱性碱性燃料电池拖拉机燃料电池拖拉机，，可以推动可以推动30003000lb(lb(11lb=lb=00..45364536kg)kg)的重的重物；物；燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介20世纪60年代，燃料电池首次应用在美国航空航天管理局的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，为人类登月作出了积极贡献。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n1965年，以氢氧为燃料的碱性燃料电池成功的应用于美国双子星座5号太空飞船上，成为太空的电力供应系统n从上世纪80年代开始，各种燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用n1973年，发生石油危机后，研究重点从航天转向地面发电装置，磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐电池（MCFC）以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作为燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）作为电站或分散式电站相继问世。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n1993年，加拿大电力公司展示了一辆零排放、最高时速为72km/h、以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为东西的公交车，引发了全球燃料电池电动车的研究开发热潮。n1996年，美国加利福尼亚州的2MW熔融碳酸盐燃料电池试验电厂开始供电；n当代，各种燃料电池电站、燃料电池汽车n….燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料氧化剂阳极阴极电解质离子导通燃料电池的发电原理燃料电池是一种能量转化装置，按照电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介阳极：燃料被氧化，产生电子和质子，电子通过外回路到达阴极，质子穿过膜到达阴极。阴极：氧化剂被还原，接受电子，并与阳极来的质子发生反应。原理基于电化学氧化还原反应，且由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料．各种燃料电池的材料也都有各自的特点．燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介[R]+[O]P[R]代表还原剂(燃料)，[O]代表氧化剂，P代表反应产物。燃料电池的两个半反应：[R][R]++e-[R]++[O]+e-P[R]+[O]P还原剂[R]的氧化反应氧化剂[O]的还原反应氧化还原反应：燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介n电极提供电子转移的场所n阳极进行燃料的氧化过程n阴极进行氧化剂的还原过程n导电离子在将阴、阳极分开的电解质内迁移n电子通过外电路做功并构成电的回路燃料电池工作原理：|与常规化学电源不同，类似于汽、柴油发动机燃料电池技术燃料电池技术第第11章章燃料电池简介燃料电池简介氢气氧气阳极阴极H22H++2e-1/2O2+2H++2e-H2O总反应：H2+1/2O2H2O膜外电路电解质2e2e燃料电池技术