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第七章燃料电池 fuelcell 早在 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 转化为动能 而内燃机只能达到 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bipolarplate mea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cuo ni selectiveoxidation au h2 co2 n2 10ppmco dmfc 阳极 ptru c ch3oh h2oco2 6h 6e 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 co co co 30kw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 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