任务3 燃料电池

新能源汽车概论，任务3燃料电池，建议会话：2小时，了解学习目标(1)燃料电池类型；(2)了解碱性燃料电池(AFC)的基本结构和工作原理；(3)了解质子交换膜燃料电池(PEMFC)的基本结构和工作原理；(4)了解固体氧化物燃料电池(SOFC)的基本结构和工作原理。教育目标，1，燃料电池类型，学习目录，燃料电池类型，燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。单个燃料电池由正极、负极和电解质隔膜组成。它的发展原理与化学功率一样，电极提供电子传输场所、阳极催化燃料(如氢等)、阴极催化氧化剂(如氧等)的还原过程；导电离子在阴极内移动，如图3-3-1所示，电子通过外部电路工作，形成构成电的电路。图3-3-1氢燃料电池的组成和原理，1，燃料电池的分类燃料电池的分类如图3-3-2所示。燃料电池类型，图3-3-2燃料电池类型，燃料电池类型，2，燃料电池特性燃料电池将燃料和氧化剂的化学能直接转换为电能，而不考虑卡诺热机循环，仅供给燃料就能发电的特性如图3-3-3所示。图3-3-3燃料电池的特性，燃料电池类型，3，燃料电池系统不能满足汽车驾驶条件，而是支持大型发电系统。燃料电池系统主要燃料电池、燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热量管理系统、电力系统和控制系统如图3-3-4所示。图3-3-4燃料电池系统，燃料电池类型，1)燃料供应系统。燃料供应系统的主要任务是给燃料电池加油。2)氧化剂系统。氧化剂系统主要为燃料电池提供氧气。可以从空气中获取氧气，也可以从氧气罐中获取氧气，空气必须使用压缩机来提高燃料电池反应速度。在燃料电池系统中，压缩机的性能有一定要求。压缩机的质量和体积会增加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本，压缩机消耗的电力会降低燃料电池的效率。空气供应系统中的各种阀门、压力表、流量计等接头应采取预防泄漏的措施。在空气供应系统中，空气要加湿，以保持一定程度的空气湿度。3)发电系统。发电系统是指不经燃烧过程直接将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的燃料电池本身的电化学装置。燃料电池类型，4)水管理系统。在质子交换膜燃料电池中，质子在水合离子状态下传导，因此燃料电池需要水，水会影响电解质膜的质子传导特性，进而影响电池性能。由于电池的阴极产生水，这种水必须按时继续取。否则电极会“淹死”，燃料电池会坏。水管理在燃料电池中很重要。5)温度管理系统。高功率燃料电池在发电过程中由于电池内部电阻的存在，必然产生热量，一般产生的热量相当于发电功率。质子交换脱燃料电池需要控制在80 ，所以电池必须及时排到热带，否则会过热，燃烧电解质膜。水和空气通常是常见的传热介质。燃料电池类型，6)电力系统。电力系统是将燃料电池产生的直流电力转换为适合用户使用的电力。燃料电池必须通过DC/DC转换器调节电量，在装有交流电动机的驱动系统中，必须使用逆变器将直流电源转换为三相交流。7)控制系统。燃料电池控制系统的作用主要包括电池系统的启动和停机。控制各种操作参数，保持电池系统稳定运行；电池运行状态监控、判断等8)安全系统。氢是燃料电池的主要燃料，氢的安全很重要。氢的安全系统由氢探测器、数据处理系统、消化设备等组成。碱性燃料电池(AFC)，1，碱性燃料电池的配置碱性燃料电池(AFC，alcine fuel cell)主要由以下部分组成(见图3-3-5):图3-5碱性燃料电池的配置，碱性燃料电池(2)阴极是催化剂活性好的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等为电催化剂制造的多孔气体扩散电极。3)电解质碱(如氢氧化钾、氢氧化钠)；4)燃料氢；5)氧化剂空气或纯氧。图3-2-7镍镉电池充电过程，碱性燃料电池(AFC)，2，碱性燃料电池工作原理单体碱性石棉模型氢燃料电池工作原理图3-3-6所示。阳极反应：H2 2oh- 2h2o2e-阴极反应：O2 2h2o 4e- 4oh-总反应：2H2O O22H2O，图3-3-6碱性燃料电池工作原理，碱性燃料电池(1)高效率(50%-55%)。(2)工作温度约为80 ，启动速度快，但只有质子交换膜燃料电池密度的十分之一。(3)非贵金属可作为催化剂，性能可靠。(4)燃料电池中生产成本最低的电池。(5)快速应用开发前景。(6)碱性燃料电池使用有腐蚀性的液体电解质，具有一定的危险性，容易造成环境污染。另外，解决C02毒性的几种方法(例如使用循环电解液、吸收C02等)增加了系统的复杂性。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，1，质子交换膜燃料电池组成的质子交换膜燃料电池由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板(也称为双极板)组成，如图3-3-7所示。(1)质子交换膜质子交换膜主要作用如下。用膜片只允许电解质 h。其他离子、气体、液体不能通过。(2)催化剂层气体扩散电极包含一定量的催化剂，是为了加快电化学反应速度。质子交换膜燃料电池用电催化剂主要是铂系统和非铂系列。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，图3-3-7碱性燃料电池结构，质子交换膜燃料电池(PEMFC)，(3)电极质子交换胶燃料电池电极是一种多孔气体扩散电极，通常由扩散层和催化剂层组成。扩散层是由导电材料制成的多孔合成物，支撑催化层，收集电子，充当电化学反应的电子通道、气体通道和排水通道。(4)膜电极(MEA)膜电极通过热压复合阴极、阳极和质子交换膜形成。为了使电化学反应顺利进行，多孔气体扩散电极必须有质子、电子、反应气体、水的连续通道。(5)双极板(如图3-3-8所示)是电池的重要组成部分之一，其作用是分离反应气体、收集电流、序列化单个电池、通过流场将反应气体排出电极和水的通道。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，图3-3-8集流板物理，质子交换膜燃料电池(PEMFC)，2，质子交换膜燃料电池的工作原理如图3-3-9所示。质子交换膜燃料电池的工作原理包括：(1)带阳极的氢通过阳极收集器(阳极板)通过阳极气体扩散层到达阳极催化层，氢分子在阳极催化剂的作用下分解为h(氢离子)和e-(电子)。阳极反应：2 H2 4h 4e-(2)外部电路氢离子通过膜到达阴极催化层，而电子通过集电极板收集，通过外部电路到达阴极，电子在外部电路上形成电流，并可以通过适当的连接输出负载中的电。质子交换膜燃料电池(PEMFC)，(3)阴极位于电池阴极的一侧，氧气通过阴极集流板(双极板)通过阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂下，氧通过膜对氢离子和外部电路的e-(电子)反应，产生水，完成阴极反应。电极反应产生的水大部分排放到尾气中，一小部分通过压差的作用通过膜扩散到两极。阴极反应：O2 4e-4h 2h2总反应：2H2 O22H2O，图3-3-9质子交换膜燃料电池工作原理，磷酸燃料电池，2，磷酸燃料电池的特性，(1)质子交换膜燃料电池或碱性燃料电池的工作温度高于工作温度(2)效率低的磷酸燃料电池比其他燃料电池效率低约40%，加热时间比质子交换脱燃料电池长。(3)磷酸燃料电池具有结构简单、稳定、电解质挥发度低的优点。第五，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC : molltiencarbonatefulcells)是指由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极和金属极板组成的燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，2，熔融碳酸盐燃料电池的工作原理熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图3-3-11所示。图3-3-11熔融碳酸盐燃料电池工作原理，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂还原过程。燃料和氧化剂气体通过正负通道流动。氧化剂的O2和CO2由阴极和电子的氧化生成CO32-，电解质板的CO32-；阴极到阳极，燃料气体的H2和CO32 -阳极反应，生成CO2、H2O和电子。电子由油流板收集，到达隔板。隔板位于燃料电池模块的上部和下部，连接到负载设备，形成包括电子传输和离子移动在内的完整电路。阳极反应：H2 co32- H2O CO2 2e-阴极反应：O2 CO2 4e- 2co 32-总反应：2H2O O22H2O，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，3，熔融碳酸盐燃料，固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全固态化学发电设备，它将在中、高温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，属于第三代燃料电池。众所周知，今后将像质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样广泛普及的燃料电池。1、固体氧化物燃料电池单体，主要由电解质、阳极或燃烧燃料、阴极或空气极和连接体或双极板组成，由图3-3-12固体氧化物燃料电池组成，固体氧化物燃料电池(SOFC)，1)电解质2)电极电极电极主要用催化剂制造。阴极阴极阴极在长期高温和氧化中工作，起到传递电子和扩散氧气的作用，应该是有多个孔的电子导电薄膜。阳极阳极主要使用最便宜的Ni/YSZ陶瓷合金材料。3)连接材料连接材料在单个电池之间起连接作用，将阳极侧的燃料气体与阴极侧氧化气体(氧气或空气)隔离。固体氧化物燃料电池(SOFC)，2，固体氧化物燃料电池工作原理固体氧化物燃料电池工作，电子通过正极流向阴极，氧离子通过电解质流向正极，如图3-3-13所示。图3-2-17锌空气电池类型，固体氧化物燃料电池(SOFC)，氧化剂(氧或空气)的阴极电还原反应，即氧分子获得电子并还原为氧离子。电解质分离的两种温差和浓度驱动力使氧离子通过电解质分离的氧空位转移到阳极面。在两极，燃料(氢或富氢的气体)的电氧化反应，即氢等燃料通过电解质传递的氧离子和氧化反应生成水的同时，将电子发射到外部电路，电子通过外部电路到达阴极形成直流电。固体氧化物燃料电池(SOFC)、3、固体氧化物燃料电池的特性固体氧化物燃料电池除了具有特定燃料电池的一般优点外，还具有以下特性：(1)对燃料的适应性强，可以在包括碳基燃料在内的各种燃料上工作；(2)不需要使用贵金属催化剂。(3)全固态元件的使用、泄漏、腐蚀没有管理问题；(4)功能强大的积木、规模和灵活的安装场所。固体氧化物燃料电池与磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池相比具有以下优点。(1)高电流密度和功率密度；(2)量、阴极极化可以忽略，化学化损失集中在电解质内阻降低上。(3)不用贵金属作为催化剂，可以直接用氢、碳氢化合物(甲烷)、甲醇等作为燃料。(。(4)避免中低温燃料电池酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀和密封问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)，(5)提供高质量余热，实现热电联产，燃料利用率高，能源利用率约80%的清洁高效能源系统；(6)广泛使用陶瓷材料作为具有所有固体结构的电解质、阴极和阳极；(7)在陶瓷电解质要求中，高温操作(600 1000)，电池反应快，多种碳氢燃料气体的内部还原也可以简化设备。直接甲烷燃料电池(DMFC)、直接金属燃料(DMFC)是将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能直接转换为电能的发电设备。1、直接甲醇燃料电池的组成和工作原理直接甲醇燃料电池主要由阳极、固体电解质膜和阴极组成，由多孔结构的扩散层和催化剂层构成，如图3-3-14所示。图3-3-14直接甲醇燃料电池的组成，直接甲烷燃料电池(DMFC)，常用正负极电极催化剂分别是PtRu/C和Pt/C贵金属催化剂。扩散层起到支持催化剂层、收集电子、传导反应物的作用。直接甲烷燃料电池(DMFC)，2，直接甲醇燃料电池工作原理直接甲醇燃料电池工作原理见图3-3-15。1)阳极是以甲醇为燃料，将甲醇和水混合物直接送到甲醇燃料电池的阳极，在阳极甲醇中直接电催化氧化生成二氧化碳，释放电子和质子。(2)阴极氧引起电催化氧化还原反应，与阳极产生的质子反应，产生水。电子将阳