第七章_燃料电池

第七章燃料电池Fuelcell早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。一、前言1960s，美国阿波罗宇宙飞船上开始使用碱性燃料电池。燃料电池的优点将化学能直接转化为电能。它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换损失，达到很高的发电效率。燃料电池构造简单，噪音小。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％。12TT-1卡燃料电池汽车的发展与现状1993年，加拿大巴拉德动力系统公司P.158~163二、燃料电池的分类（1）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）（2）质子交换膜燃料电池（PolymerElectrolyteFuelCell,PEFC;SolidPolymerElectrolyteFuelCell,SPEFC;或ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）（3）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）（4）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）（5）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）（一）根据燃料电池电解质的不同（二）根据操作温度来分类（1）低温型PEMFC(80-100oC)AFC(60-220oC)PAFC(180-200oC)（2）中温型─MCFC(650oC)（3）高温型─SOFC(1200oC)三、不同燃料电池的工作原理（1）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）阳极反应2H2+4OH-→4H2O+4e-阴极反应4e-+O2+2H2O→4OH-总反应2H2+O2→2H2O阳极燃料：纯氢阳极：碳载的Pt、Pd、Ni阴极：碳载的Pt、Ag电解质：35-50%KOH溶液可使用非贵金属为电极催化剂，例如银、镍等操作时所需温度较低，为100oC-250oC化学反应快且转化效率高碱性染料电池的优点：碱性染料电池的缺点：电解质腐蚀严重，寿命较短燃料必须是高纯度的氢碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成碳酸钾，影响电解质的品质，导致发电性能衰退,要使用纯氧做氧化剂（2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）氢的阳极氧化:Pt2H2-4e-→4H+氧的阴极还原:PtO2+4H++4e-→2H2O阳极燃料：氢气或甲醇电解质：磺酸型质子传导膜阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt质子交换膜燃料电池的优点易组装、高功率、低重量、低体积电解质为离子交换膜，无腐蚀，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（大部分为金属铂）唯一液体是水，腐蚀小操作温度低，介于80-100℃，比较安全，且可室温快速启动适用于交通工具、便携设备、建筑物与小型社区质子交换膜燃料电池的缺点催化剂铂价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升铂容易与一氧化碳反应而发生中毒现象固体电解质昂贵单电池组装前氢气端bipolarplate氧气端bipolarplateMEA夹于其间单电池(SingleCell)进气流道车载的甲醇重整制氢装置Fe2O3或CuO22223NCOCOHAirOHOHCHNiSelectiveoxidationAuH2,CO2,N2(～10ppmCO)DMFC阳极（PtRu/C）：CH3OH+H2OCO2+6H++6e-阴极（Pt/C）：3/2O2+6H++6e-3H2O甲醇燃料电池这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。（3）磷酸燃料电池（PAFC）阳极燃料：氢气或天然气重整富氢气体氢的阳极氧化:Pt2H2-4e-→4H+氧的阴极还原:PtO2+4H++4e-→2H2O电解质：磷酸阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt磷酸燃料电池的优点用于大型发电机组上，已经商业化操作温度较低，介于150-220℃磷酸燃料电池的缺点催化剂铂价格昂贵Pt容易与一氧化碳反应而发生中毒现象酸性电解液具有腐蚀作用，寿命小于40000小时（4）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）阳极燃料：氢气、煤气、天然气或沼气阴极：O2+2CO2+4e-→2CO32-阳极：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–总反应：O2＋2H2→2H2O电解质：52%碳酸锂和48%碳酸钾的混合盐阳极：多孔镍阴极：锂镍氧化物COCOCO30KW电池系统流程图熔融碳酸盐燃料电池的优点电解质为碳酸锂和碳酸钾的低熔点混合物，性质稳定阳极使用透气性的多孔镍，廉价燃料多样化，可使用煤气、天然气或沼气（加重整器）可回收利用废热，发电效率高，适合于集中型发电厂电池价格低熔融碳酸盐燃料电池的缺点操作温度为600-700oC，易导致电极腐蚀（5）固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极燃料：氢气、煤气、天然气、沼气阳极材料：Ni-YSZ金属陶瓷阴极材料：参杂的LaMnO3或LaCoO3电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质：固体陶瓷（YSZ）固体氧化物燃料电池的优点使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题废热可回收利用适用于中等规模发电机组可忍受较多的硫化物不受CO影响，燃料范围广，包括H2，CO、天然气、煤气，碳氢化合物、NH3、H2S电池价格低固体氧化物燃料电池的缺点操作温度约1000oC，电池启动慢，需要保温设备不适用于交通工具和随身携带低温燃料电池（60—220℃)中温型高温型650oC1000oC类型AFC碱性燃料电池PEMFC质子交换或固体聚合物燃料电池PAFC磷酸燃料电池MCFC熔融碳酸燃料电池SOFC固态氧燃料电池特性无污染,电效率高制造费用非常贵,不适合于工业应用少维护污染排放在很低的水平,低噪音,固体电解质适合于大规模生产,与常规技术相比很贵低污染,低噪音,是热电联产电厂的三倍费用,随着连续运行电效率降低有效利用能源,低噪音,没有外部气体配置,腐蚀性电解液有效利用能源,低噪音,没有外部气体配置,腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体氢氧化钾溶液质子交换膜磷酸碳酸锂和碳酸钾固体陶瓷体燃料纯氢氢，甲醇天然气，氢天然气．煤气沼气天然气．煤气沼气氧化剂纯氧大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气大气中的氧气系统的电效率60-90％43-58％37-42％＞50%50-65%P170四、汽车使用燃料电池的优缺点（1）优点（P171）能量转换效率高（内燃机汽车：11%；燃料电池40-70%），节能效果显著低污染（NOx、HC、SOx、微粒）性能接近内燃机汽车过载能力强结构简单、运行平稳燃料来源丰富缺点：质子交换膜燃料电池的原料单一要求高质量的密封比功率还有待提高催化剂成本高需配备辅助电池系统启动性能较差加氢站网络投资大行驶里程需进一步提升课后习题哪一种燃料电池必须使用纯氧作为阴极的氧化剂？简述五种燃料电池的电解质分别是什么？阴极和阳极之间传输的离子分别是什么？简述质子交换膜燃料电池的工作原理。