85新能源与分布式发电-燃料电池

1FuelCellFuelCell燃料电池燃料电池陈刚电力设备电气绝缘国家重点实验室Tel：82668493Email：[e-mail]传统发电模式：化学能(燃烧)热能机械能电能燃料电池发电：化学能(电化学反应)电能Introduction2燃料电池的概念燃料电池的特点燃料电池的特点能量转化效率高清洁，不污染环境不产生CO和CO2，没有硫和微粒、NOx寿命长工作没有噪声、运动件、振动IntroductionDiagram原电池？3DifferenceofFuelCellandBatteryIntroduction4NASASpaceShuttlebyWilliamR.Grovein1839Introduction质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell）磷酸盐燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell）Typeoffuelcells5MEMSLabsMEMDepartmemtNSYSUTotal--221O+HO+2e2OH2--22H+2OH2HO+2e2221H+OHO2Typeoffuelcells碱性燃料电池（AFC）～80℃磷酸盐燃料电池（PAFC）+-2H2H+2e+-221O+2H+2eHO22221H+OHO2TypeoffuelcellsTotal～200℃6质子交换膜燃料电池（PEMFC）+-221O+2H+2eHO22221H+OHO2+-2H2H+2eTotalTypeoffuelcells80～100℃熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）--22231O+CO+2eCO2-2-2322H+COCO+HO+2e222221H+O+COHO+CO2TypeoffuelcellsTotal～650℃7固体氧化物燃料电池（SOFC）-2-22H+OHO+2e--221O+2eO22221H+OHO2TypeoffuelcellsTotal700～1000℃Typeoffuelcells8Typeoffuelcells1PEMFC阳极：石墨/Pt电解质：高分子薄膜阴极：石墨/Pt燃料气：纯H2或甲醇2MCFC3SOFCFocus9PEMFC燃料气：纯H2或甲醇启动时间：min功率密度：～100mW/cm280～100℃PEMFC-stack10ApplicationofDMFCApplicationofPEMFCBenZNECAR5续航力：480km极速：150km/hHONDAFCX-V4续航力：315km极速：140km/h11ApplicationofPEMFCApplicationofPEMFC12MaterialsofPEMFCSingleCellPEMFCsingleCell（OCV＝1.23V）PEMFCsingleCellPEMFCsingleCell（（OCVOCV＝＝1.23V1.23V））AnodeAnodeElectrolytElectrolyteeCatalysCatalysttCathodeCathodeMaterialsofPEMFCPEMFCStack（OCV=n×1.23V）PEMFCStackPEMFCStack（（OCV=nOCV=n××1.23V1.23V））BiBi--polarPlatepolarPlateSealSeal硅橡胶多孔碳纸多孔碳纸13‧高質子傳導率‧電子絕緣性‧低燃料滲透性‧高化學穩定性‧高機械強度‧高耐熱性‧高尺寸穩定性PEMFC-ElectrolyteDupont-Nafion膜Acquirements:PEMFC-Electrolyte14商业化质子交换膜商业化质子交换膜DupontNafion®BallardBAM3GW.L.Gore&AssociatesDaisAnalyticS-SEBS新型有机交换膜新型有机交换膜后磺化膜后磺化膜后磺化聚芳醚酮交联磺化聚醚砜共聚磺化单体膜共聚磺化单体膜磺化聚酰亚胺磺化聚醚砜质子交换膜的类型质子交换膜的类型聚合物聚合物//无机物复合膜无机物复合膜聚合物聚合物//聚合物复合膜聚合物复合膜磺化聚醚砜多孔PTFE/PP/PE基底&Nafion聚砜基底&SPEEK聚苯乙烯&Nafion新型复合交换膜新型复合交换膜无机物SiO2,P2O5，HPA沸石,分子筛Nafion,PBI,SPSU,SPEEK磷酸氢锆,磷酸锑PEMFC-ElectrolytePEMFC-Catalyst-MEA低温下的催化剂贵金属（通常使用Pt）Pt－高成本、稀缺资源如何降低Pt用量MembraneElectrodeAssembly（MEA技术）？！15制备Pt/C催化剂形成催化剂薄层预处理电解质膜，除杂质热压叠合PEMFC-Catalyst基本工序碳纸（扩散层）PEMFC-Catalyst-MEA16‧分隔氧化和还原气氛（致密）‧收集电流（高导电率）‧质量轻，成型容易‧双极板两侧应有使反应气体均匀分布的流道‧确保电池（堆）温度分布均匀、散热良好PEMFC-Bi-polarplate双极板功能：足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄良好的机械性能1kW/kg(對於交通工具用)重量轻2×10-6cm3/cm2-sΔP=2atm材料气密性100S/cm或者200S/㎝2材料导电性16μA/cm2抗腐蚀性$10/kg包含材料和加工制造成本TargetValue美国能源部对车用双极板的标准PEMFC-Bi-polarplate17最普遍使用石墨，利用碳粉或石墨粉混合可石墨化樹脂備製優點：(1)質輕(2)耐蝕性好(3)導電佳缺點：(1)脆性物質，易造成組裝上的難度(2)一般雙極板燒結製備而成為多孔性，需添加添加物PEMFC-Bi-polarplatePEMFC开发课题和难点－－材料问题•中毒对策（杂质引起铂的中毒，会降低催化活性）•电池内部水管理技术（产生的水如何释放）•CO催化改质技术（多种燃料气氛适用性问题）•发电效率提高（提高新能和稳定性）•成本降低（减少贵金属的用量）PEMFC技术加拿大领先，电解质膜美国杜邦垄断，应用市场开拓日本擅长PEMFC-conclusion181PEMFC2MCFC阳极：Ni/Al电解质：碳酸盐阴极：Li掺杂NiO燃料气：煤气、天然气等还原气氛3SOFCFocusMCFC燃料气：煤气、天然气等还原气氛启动时间：5~10hours功率密度：～150mW/cm2～650℃19MCFC-stack德國MTU美國FuelCellEnergy日本IHIApplicationofMCFC20MCFC-stackMCFCsingleCell（OCV＝1.23V）MCFCsingleCellMCFCsingleCell（（OCVOCV＝＝1.23V1.23V））AnodeAnodeElectrolytElectrolyteeMatrixMatrixCathodeCathodeMaterialsofMCFCMCFCStack（OCV=n×1.23V）MCFCStackMCFCStack（（OCV=nOCV=n××1.23V1.23V））SeparatorSeparatorSUS310SSUS316LLiAlO2M2CO321MCFC-ElectrolyteCO32-离子MCO3盐（合适的熔点、粘度）如何保持熔融态不流动？MCFC-Matrix具备功能：它是隔离电池阴极与阳极的绝缘体；它是碳酸根离子从阴极到阳极的导体；它还必须是气体不透层，防止燃料气与氧化气的混合。MCFC电解质基板条件：无裂缝，多孔，有较高的机械强度；支持体内应充满电解质，并良好保持电解质；化学稳定性好，不与电解质反应。电解质基板（Matrix）MaterialLiAlO2Poresize0.2~0.5mPorosity50~60%Thickness0.5mmSp.Area0.1~10m2/g22MCFC-AnodeNiONiMaterialNi+Cr/Ni+AlPoresize3~6mPorosity50~70%Thickness0.5~1.5mmCr/Al用以防Ni高温蠕变高温催化活性高，避免使用贵金属MCFC-CathodeMaterialLithiatedNiOPoresize6~9mPorosity80~85%asNiThickness0.5~0.8mmSp.Area0.5m2/g(1-x)NiO+0.5xLiXO+0.5xO2→Lix+Nix3+Ni(1-2x)2+锂化机理：23MCFC-Cathode•NiOdissolution-StabilizedNiO-LiCoO2cathode-Modifiedelectrolyte当CO2含量较高时，溶解机理主要是酸性溶解，即NiO+CO2Ni2++CO32-在CO2含量较低时，溶解机理为碱性溶解，即NiO+O2-NiO22-MCFC-Cathode24MCFC-SeparatorMCFC-Separator25MCFC-stackMCFC-stack26Reliabilitytestofa100kWMCFCstackstructureandReliabilitytestofa100kWMCFCstackstructureandEstablishmentoftheoperationprocessEstablishmentoftheoperationprocessMCFC-stackMCFC开发课题和难点双极板材料－－不锈钢材料（大面积加工问题，高温氧化问题）电极材料－－Ni基多孔材料（高温蠕变问题、短路问题）电解质材料－－LiAlO2/碳酸盐（稳定性问题，腐蚀性问题）系统组装问题MCFC优势－－固定电站系统材料成本低廉工作温度高（650度左右），燃料气氛要求低可以热电联供，与燃气轮机或IGCC联合循环MCFC-Conclusion273SOFC阳极：Ni/电解质电解质：氧离子导体阴极：钙钛矿材料燃料气：煤气、天然气等还原气氛Focus1PEMFC2MCFCSOFC燃料气：煤气、天然气等还原气氛启动时间：5hours功率密度：300～1500mW/cm2700～1000℃28功率密度高高溫密封技術困難电池面积较小SOFC-Design平板式结构SOFC-Design29SOFC-Design管式结构功率密度低高溫密封技術简单组装容易縦縞円筒型(単セル／本)；SWPC、TOTOSOFC-Design30横縞円筒型(複数セル／本)；電総研、電源開発/三菱重工(長崎)SOFC-Design扁管型TSOFCSOFC-Design31SOFCsingleCell（OCV＝1.23V）SOFCsingleCellSOFCsingleCell（（OCVOCV＝＝1.23V1.23V））AnodeAnodeElectrolytElectrolyteeSupporterSupporterCathodeCathodeMaterialsofSOFCSOFCStack（OCV=n×1.23V）SOFCStackSOFCStack（（OCV=nOCV=n××1.23V1.23V））InterconnectInterconnectSealSeal多孔陶瓷管SOFC-Electrolyte32SOFC-ElectrolyteYSZSOFC-Electrolyte33SOFC-FabricationSOFC-Electrode•高电导率•多孔结构•与电解质热膨胀率匹配•催化活性高•不与其他材料反应•成本低电子导体（如Ni-YSZ、Ni-CeO2）阳极：阴极：氧离子导体（如LaSrMnO3-YSZ、LaSrCoFeO3-CeO2）34SOFC-Electrode阳极阴极SOFC-Interco