《新能源材料》燃料电池.ppt

第二篇燃料电池 什么是燃料电池 燃料电池 FuelCell 是利用燃料发生化学反应时释出的能量 将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置 从这一点看 它和其他化学电池如锰干电池 铅蓄电池等是类似的 但不像一次电池一样用完就丢弃 也不像二次电池用完须充电 工作时需要连续地向其供给活物质 起反应的物质 燃料和氧化剂 把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出 是经由电化学反应之发电机 译为 环保发电机 更为贴切 1839年 使用稀释的硫酸当做液态电解质 成功产生电能 1899年 首度发现固态电解质的导电行为 1937年 示范成功第一个陶瓷型燃料电池 1967年 通用汽车公司引进碱性燃料电池技术 开发了第一辆燃料面包车 燃料电池的演进 燃料电池工作原理 燃料电池含有阳阴两个电极 分别充满电解液 而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成 氢气由阳极进入供给燃料 氧气 或空气 由阴极进入电池 电池经由催化剂的作用 使得阳极的氢原子分解成氢质子 proton 与电子 electron 其中质子进入电解液中 被氧 吸引 到薄膜的另一边 电子经由外电路形成电流后 到达阴极 在阴极催化剂之作用下 氢质子 氧及电子 发生反应形成水分子 这正是水的电解反应的逆过程 因此水是燃料电池唯一的排放物 利用这个原理 燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电 为一种 发电机 燃料电池工作原理 阳极反应2H2 4OH 4H2O 4e 阴极反应4e O2 2H2O 4OH 总反应2H2 O2 2H2O 以燃料电池之电解质 electrolyte 来区分 它可分为五种 若以温度分类 可分为三种高温型 中温型 低温型 燃料电池的种类 1 碱性燃料电池 AlkalineFuelCell AFC 2 质子交换膜燃料电池 ProtonExchangeMembraneFuelCell PEMFC 3 磷酸燃料电池 PhosphoricAcidFuelCell PAFC 4 熔融碳酸盐燃料电池 MoltenCarbonateFuelCell MCFC 5 固态氧化物燃料电池 SolidOxideFuelCell SOFC 低温型 PEMFC 80 100 AFC 60 220 PAFC 180 200 中温型 MCFC 650 高温型 SOFC 1200 效率高 传统内燃机 发电机 要将煤 燃油等物质的化学能转变为电能的发电过程 是由燃料混合氧 先转变为热能 机械能 再转变为电能的复杂程序 因此一般只有30 左右的效率 燃料电池的能量转换效率非常高 它是利用输入燃料混合氧 不经过转换机械能便能持续产生电力 也不须传统二次电池所需的充放电程序 以氢气及氧气为燃料 利用触媒加速反应速率 燃料电池可直接将化学能转变为电能 其效率可接近40 若再包括回收余热 效率更可轻易超过65 而且只要正常使用下 燃料提供无虞 无使用时间上的限制 无污染 燃料电池的发电过程 氢气在阳极被氧化 氧气在阴极被还原 最后生成水 不会造成环境污染 以11百万瓦燃料电池的发电厂为例 电厂运转的氮氧化物排放量为1PPM 也没有硫氧化物及粒状污染物 比目前最清洁的天然气发电厂还干净 具备低噪音 安静等特色 燃料多样化 燃料电池所使用的燃料可取自天然气 丙烷 甲醇 汽油 柴油 煤以及再生能源 燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施 如加油站等 应用范围广泛 燃料电池的组成材料简单 结构模块化 使得应用范围广泛 应用领域包含 太空能源 生命维持系 潜水艇动力 公交车 汽机车 脚踏车 分布式发电 家用独立发电 工商业备用发电系统 Notebook PDA 手机 电器产品携带式电源 军事国防用途之电源设备等 碱性燃料电池 AFC 碱性燃料电池 AFC 碱性燃料电池成功应用在太空科技上 成为航天飞机的电力供应系统 AFC的副产物是纯净的水 成为航天员饮水用的维生系统 碱性燃料电池的优点AlkalineFuelCell 电解质用NaOH KOH碱性物质 如30 KOH溶液 使用非贵重金属为电极触媒 如镍 钴 锰工作温度大约80 启动很快化学反应快能量转换效率非常高 首先用于太空计划 碱性燃料电池的缺点 各国燃料电池开发竞赛中 无法成为主要开发对象燃料必须是高纯度的氢制造费用非常贵 不适合工业应用液态电解质的质量易受影响 导致发电性能衰退 电解质为碱性 易与空气中的CO2生成K2CO3 Na2CO3 严重影响电池性能 所以必须除去CO2 质子交换膜燃料电池 PEMFC 质子交换膜型 PEMFC 其反应式如下 阳极H2 2H 2e 阴极1 2O2 2H 2e H2O全反应1 2O2 H2 H2O由于质子交换膜只能传导质子 因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极 而电子通过外电路才能到达阴极 产生直流电 质子交换膜燃料电池的优点 高电力密度 低重量 低体积电解质为离子交换膜 薄膜的表面涂有可以加速反应之触媒 大部分为白金 唯一液体是水 腐蚀问题小操作温度低 介于80至100 之间 安全适用于交通工具 建筑物与小型小区 质子交换膜燃料电池的缺点 内阻稍大 为了加速电极反应 需使用白金作电极催化剂价格昂贵白金容易与一氧化碳反应而发生中毒现象 失去催化效果 磷酸型燃料电池PhosphoricAcidFuelCells 磷酸型燃料电池 磷酸化学稳定性好 易得 反应温和 磷酸盐型燃料电池 PAFC 成为发展最快 研究最成熟的一种燃料电池 美国通用公司首先建成兆瓦级PAFC发电站 日本电力公司在东京湾兴建1MWPAFC发电站 磷酸型燃料电池的优点PhosphoricAcidFuelCells 该燃料电池大都运用在大型发电机组上电解质为浓磷酸操作温度大约为150到220 之间温度高所以废热可回收再利用PAFC是目前技术最成熟 应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池 磷酸型燃料电池的缺点 白金价格昂贵 成本居高不下电极易受CO毒化启动时间长 不适合作移动电源 熔融碳酸盐型燃料电池MoltenCarbonateFuelCell 熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极 多孔陶瓷电解质隔膜 多孔金属阳极 金属极板构成的燃料电池 其电解质是熔融态碳酸盐 反应原理如下 阴极 O2 2CO2 4e 2CO32 阳极 2H2 2CO32 2CO2 2H2O 4e 总反应 O2 2H2 2H2O熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池600 700 熔融碳酸盐型燃料电池MoltenCarbonateFuelCell 熔融碳酸盐型燃料电池的优点MoltenCarbonateFuelCell 工作温度高至650 不需要低温电池必须的铂系催化剂高工作温度加速了化学反应速度 减少了极化损失 废热可回收再使用 高温排放气体可用来与汽轮机联合循环 总效率更可达70 适合于中央集中型发电厂 对燃料的纯度要求相对较低 设备相对简单 熔融碳酸盐型燃料电池的缺点 操作温度高 液态电解质导致电极的腐蚀问题与渗漏问题使用寿命低 固态氧化物燃料电池 SOFC SolidOxideFuelCell 电解质为氧化锆 含有少量的氧化钙与氧化钇 固态氧化物燃料电池的优点Solidoxidefuelcell