工业催化燃料电池PPT讲解

燃料电池，科塔奥张志鹏市民辉裕川，对燃料电池的简要介绍，2008年以来本田和通用氢燃料电池汽车示范项目已经走上了商业化的道路。通用公司在纽约、加利福尼亚和华盛顿特区推出了由100辆雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车组成的押送车。2009年5月26日，世界7大汽车制造商制造的12辆不同的氢燃料电池汽车和燃料电池SUV从美国加利福尼亚州圣迭戈出发，沿着约2700公里停靠了28个城市，对终点加拿大温哥华、氢燃料电池车的卓越性能印象深刻。在德国，奔驰宣布了最新的燃料电池汽车200系列产品，以及Citaro柴油-电力混合和质子动力三重混合总线(由燃料电池、电池和超级电容器驱动)。汽车经过了450万公里的道路测试。汉堡从2010年开始接连收到了20辆配备燃料电池驱动系统的奔驰b级燃料电池车辆。中国在2008年北京奥运会上成功地组织和演示了23辆燃料电池车。2010年上海世博会投入了近200辆燃料电池车作为旅游和服务车。燃料电池定义了燃料电池，它是将化学能转换为电能的能量转换装置，是两极和阴极产生的氧化还原反应。燃料电池和普通电池的区别在于，运行时必须持续向电池中投入燃料和氧化剂，只要继续供应，燃料电池就会持续供电。燃料电池优势，1)输出单位由堆的输出功率决定，因此单位容量有自由度；部分负荷还可以保持高效率。2)通过与燃料供给装置组合适用范围的燃料；3)大小无效，极小的燃料电池仍具有与大尺寸相似的效率；燃料电池优势，4)转换效率，最高60%；5)没有活动部件时噪音小。(6)NOx和SOx等排放量少，环境友好，以氢为燃料，排放是水，电池部分可以实现“零排放”。燃料电池的缺点，燃料电池的缺点主要是价格和技术上的一些瓶颈1。燃料电池成本高：在汽车PEMFC成本中，质子交换膜片约占成本的35%。铂催化剂约占40%，两者都是高贵的材料。2 .反应/启动性能：燃料电池的启动速度还不等于内燃机引擎。反应性可以通过增加电极活性，增加操作温度和反应控制参数来实现，但要提高稳定性，必须避免副作用的发生。反应性和稳定性往往不能同时拥有鱼和熊掌。3 .不能直接使用碳氢燃料：除甲醇外，其他碳氢燃料现在可在燃料电池中使用，由转换器、一氧化碳氧化剂处理产生纯氢。该设备还增加了对燃料电池系统的投资。4 .氢燃料基础设施不足：氢在业界使用了很多年，尽管经济规模很大，全球氢充电站只有约70站，在示范推进阶段仍然有价值。而且，增加天然气的时间约需5分钟，无法跟上商业时代的步伐。5 .储氢技术：目前，FCV氢燃料以压缩氢气为标准，车体的装载量有限，每充电量约为2.5 3.5公斤，目前汽车单程跑480 650公里的使用时间也不足。-253 保存氢气的液态氢系统已经过测试，但有重大缺陷。大约三分之一的电力为了保持水箱的低温，氢保持液态，从缝隙中蒸发损失的氢是约5%的燃料电池发明人，1839年英国Grove发明了燃料电池，用铂黑作为电极催化剂的这种简单的氢氧燃料电池，揭示了伦敦演讲室的照明等。1889年，Mood和Langer首先采用燃料电池这个名字，并获得了200mA/m2电流密度。由于发电机和电极工艺力学的研究没有跟上，燃料电池研究直到20世纪50年代取得了实质性进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氧制作了实用功率水平的燃料电池。在60年代，这种电池成功地应用于阿波，罗(Appollo)登月飞船。20世纪60年代以来，氢氧燃料电池被广泛应用于航空航天领域，兆瓦级磷酸燃料电池也被开发出来。从80年代开始，各种低功耗电池被应用于航天、军事、交通等各种领域。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。燃料和氧化剂从外部不断供应到燃料电池，可以连续发电。燃料电池发展现状，PEM:质子交换膜燃料电池；DMFC:直接甲醇燃料电池；SOFC:固体氧化物燃料电池；MCFC:熔融碳酸盐燃料电池；AFC:碱性燃料电池；PAFC:由磷酸盐燃料电池、燃料电池电极反应及其工作原理、电极反应和两个电极(正极和负极)组成的电化学电池有总反应式。即a氧化1 B还原1C还原2 D氧化2fc的阴极反应，或H2直接氧化或甲醇氧化。间接氧化是通过重整阶段发生的。阳极反应总是还原的，大多数情况下，氧气来自空气。燃料电池工作原理，燃料电池由正极、负极和离子导电电解质组成，其工作原理与普通电化学电池相似，燃料被氧化，氧化剂被还原到阴极，电子通过阳极上的负载形成阴极形成电路，从而产生电流。燃料电池将氧和氢结合起来，发展成水的简单电化学反应。燃料电池的基本组成是电极、电解质、燃料、催化剂。两个电极位于两者之间，并分离成带充电电荷的固体或液体电解质。电极上铂等催化剂常用于加速电化学反应。下图概述了燃料电池的基本原理。操作时向阴极提供燃料(氢)，向阳极提供氧化剂(空气)。氢在阴极上分解为阳离子h和电子e-。氢离子进入电解质，电子沿着外部电路向阳极移动。电气负荷连接到外部回路。在两极，空气中的氧和电解质的氢离子吸收到达两极的电子，形成水。这就是水的电解反应的反过程。通常是氢、碳、甲醇、硼氢化物、气体或天然气作为燃料，阴极、空气中的氧气作为阳极，H2-O2燃料电池，燃料电池类型，1。根据燃料电池工作机制，酸性燃料电池碱性燃料电池，2。根据燃料类型，氢燃料电池甲烷燃料电池甲醇燃料电池乙醇燃料电池，3。根据电解质种类，将氢氧化钾溶液用作碱性燃料电池(AFC):电解质熔融碳酸盐燃料电池(MCFC):将熔融碳酸盐用作电解质固体氧化物燃料电池(SOFC):固体电解质质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极反应：阴极反应：碱性燃料电池的工作温度约为80 。因此，虽然运转速度快，但其功率密度比质子交换膜燃料电池的密度小10倍左右，因此，汽车使用看起来有些别扭。但是它们是燃料电池中生产成本最低的电池，可以用于小型固定发电设备。像质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对可能污染催化剂的一氧化碳和其他杂质非常敏感。一氧化碳与氢氧化钾电解质反应，产生碳酸钾，降低电池性能，因此不含一氧化碳为原料。3.1碱性全细胞-AFC，碱性燃料电池结构(自由电解质类型)，AFC的优点包括：在碱性介质中，氧的还原反应比其他酸性介质高，因此效率高。由于是碱性介质，可以使用非铂催化剂。工作温度低，是碱性介质，因此可以用镍制作双极板。AFC的缺点是电解质是碱性的，容易与CO2沉淀K2CO3、Na2CO3，对电池性能产生严重影响，因此需要去除CO2，这给在一般环境下的应用带来了很大困难。电池的水平衡问题复杂，影响电池的稳定性。3.2磷酸燃料电池(phospherichia cacidfulcell-pafc)，pafc是一种中温燃料电池，以浓磷酸盐为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正负电极。可以在180 200 下工作。具有电解质稳定性、磷酸浓度、水蒸气抑制、阳极催化剂不易共同毒性的优点，是接近商品化的民间燃料电池。阳极反应：阴极反应：磷酸燃料电池特性：排气清洁。因为燃料不燃烧，而是发电，所以NOX，SOX几乎为零。发展效率高。在燃料电池发电中，燃料的化学能直接转换为电能，能量转换损失小。低噪音，低震动。这是没有转子的发电方式，在低噪音、低振动下运行。3.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，MCFC工作温度600700，可以内部重整方式提供燃料(氢或甲烷)，也可以使用粗氢作为燃料。阳极是烧结多孔镍，阴极是NiOx，包括Li。阳极反应：阴极反应：MCFC的特征：该电池在内部重组天然气和石油等碳氢化合物，并在燃料电池结构内运行产生氢的高温。在这样高的温度下，硫仍然是个问题，但是一氧化碳污染不是问题，铂催化剂可以用廉价的镍金属代替，因此产生的额外热量也可以在联合火力发电厂使用。这种燃料电池的效率高达60%。如果浪费的热量可用，则潜在的效率高达80%。但是，高温也会产生一些问题。这种电池需要很长时间才能达到工作温度，因此不能用于运输，表明电解质的温度和腐蚀特性不安全，不能用于家庭发电。但是发展效率高对大规模工业加工和发展涡轮具有很大的吸引力。现在示范电池可以生产高达2MW的电力，50-100MW容量的电力设计已经被提到议事日程。3.4固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全固体化学发电设备，它可以在中、高温下将直接存储在燃料和氧化剂中的化学能高效、环保地转换为电能。使用固体电解质(钻石氧化物)，性能良好。在这个燃料电池里，氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)时，就会产生能量。阳极生成的电子通过外部电路向阴极移动，减少流入的氧气，完成循环。阳极反应：H2 O2-H2O 2e-CO O2-CO2 2e-阴极反应3360 O2 4e-2 O2-，SOFC特征：高电流密度和功率密度；量、阴极极化可以忽略，化学化损失集中在电解质内阻降。不用贵金属作为催化剂，可以直接使用氢、碳氢化合物(甲烷)、甲醇等作为燃料。避免中低温燃料电池用酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀和密封问题。提供高质量的余热，实现热电联产，燃料利用率高，能源利用率约80%的清洁高效的能源系统。广泛使用具有所有固体结构的电解质、阴极和阳极的陶瓷材料。陶瓷电解质要求中，高温操作(600 1000)，提高电池的反应速度，允许多种碳氢燃料气体的内部还原，从而简化设备。3.5质子交换膜燃料电池(proonexchangemembranefuelcell，PEMFC的核心材料和部件为1)电催化；2)电极(阴极和阳极)；3)质子交换膜；4)双极板。运行时，氢在阳极转化为氢离子的过程中释放电子，电子通过外部电路返回电池阴极。与此同时，氢离子通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极上，氧转化为氧原子，氧原子从正极转换为氧离子，与氢离子结合，产生水。下图显示了质子交换膜燃料电池工作原理示意性阳极反应：阴极反应：500kw质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池具有以下优点。发电过程不包括氢和氧的燃烧，因此不依赖卡诺循环，能量转化率高；发电时完全没有污染，发电单位模块化，可靠性高，组装和维修都方便，运行时没有噪音。因此，质子交换膜燃料电池电源是清洁高效的环保电源。质子交换膜燃料电池的缺点是操作温度低，启动快，比功率高，结构简单，操作方便等质子交换膜制造困难，成本高，全氟合成和磺化非常困难，在成膜过程中水解、磺化聚合物变性、分解、成膜困难，成本高。如果对温度和水分含量的要求很高，Nafion系列薄膜的最佳工作温度为70 90 ，超过这个温度，水分含量就会急剧降低，导电性迅速降低，从而适当提高工作温度，提高电极反应速度，克服催化剂中毒问题。某些碳氢化合物，例如甲醇，渗透性高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。比较不同类型的燃料电池，燃料电池应用前景和发展趋势，主要应用：1 .移动设备2 .宇宙领域3。军事上4。5在运输上的固定应用，燃料电池应用于移动设备：随着燃料电池的快速发展，他们正在成为不断增加的移动设备的主要能源。小型燃料电池具有寿命长、重量轻、充电方便等优点，比普通电池优越得多。目前，美国正在测试以直接甲醇燃料电池为动力的手机原型，而德国正在试验以这种能源为动力的笔记本电脑。苹果新的氢燃料电池移动装置可以支撑几周，燃料电池在宇宙领域的应用：燃料电池的最初和最成功的应用始于20世纪50年代，被用作航天器的动力源。燃料电池比其他动力能源效率高，可以大大减少体积和重量。对宇宙飞船来说减轻重量很重要！燃料电池在当时很贵，所以在其他方面也没有同时应用。因此，燃料电池成本的降低是多年研究和开发的主要内容，燃料电池在军事上的应用：燃料电池可以以从战场上的可移动便携式设备到陆地运输的各种形式为大多数军事设备提供动力。在军事上，小型燃料电池比普通固体电池优越，因此，随着使用时间的增加，不必在战场上繁琐地供给备件。另外，给燃料电池添加燃料也是很难的。同样，燃料电池的运输效率可以大大减少活动中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以在更远或更远的地区移动更长的时间。这样可以大大减少电池所需的支援车辆、人员、设备的数量。美国海军自20世纪80年代以来，在深海探测用船舶和无人潜艇上启动了燃料电池。在军队应用发电机、居民家庭中的燃料电池应用：低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足个人家庭和小型企业的所有热电需求。目前，这种燃料电池还没有得到广泛应用。在美国和日本，只有少数家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。规模组合发电厂的规模小于20千瓦，普通发电厂很难制造这么小的规模，这样的发电厂在家庭层面将具有广泛的应用前景。发电单位、水槽、燃料电池运输应用：在世界各地，国家和地方机构都在强迫汽车制造商