燃料电池的应用

1、燃料电池的应用文三619“滑板鞋团队”01020304目录燃料电池简介及工作原理燃料电池的分类燃料电池的优缺点燃料电池的应用1、燃料电池简介及工作原理1.1 简介 燃料电池是一种把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置。是继水力、火力、原子能发电方式之后的“第四种发电方式”。1.2 工作原理 燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极经过负载流向阴极构成电回路，产生电流。图1-1 燃料电池工作原理图（1）质子交换膜燃料电池（PEMFC） （2）碱性燃料电池（AFC）（3）磷酸燃料电池（PAFC）（4）熔融碳酸燃料

2、电池（MCFC）（5）固态氧燃料电池（SOFC） 表2-1 燃料电池所占市场分率 2、燃料电池的分类表2-2 各燃料电池参数表2.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC) 质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源，它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。 两电极的反应和总反应分别为： 阳极(负极)：2H2-4e4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+2H2O 总反应： 2H2+O2=2H2O 图2-1 PEMFC装置

3、图图2-2 PEMFC工作原理图 属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相对于质子交换膜燃料电池(PEMFC) ，直接甲醇燃料电池 (DMFC) 的低温生电、燃料成分危险性低与生电结构简单等特性使直接甲醇燃料电池 (DMFC)成为可携式电子产品应用的主流。 图2-3 DMFC装置图 图2-4 DMFC工作原理图直接甲醇燃料电池（DMFC）2.2 碱性燃料电池(AFC) 碱性燃料电池的工作温度大约70。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨

4、拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 两电极的反应和总反应分别为： 阳极反应：2H2+4OH- 4H2O+4e- 阴极反应：O2+2H2O+4e- 4OH- 总反应： 2H2+O2=2H2O 2.3 磷酸燃料电池(PAFC) 磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为200，反应过程用铂作催化剂铂作催化剂，发电效率达40。最初开发磷酸燃料电池是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。 两电极的反应和总反应分别为： 阳极：2H2+4e4H+ 阴极：O2+4H+4H

5、2O+4e 总反应：2H2+O2=2H2O2.4 熔融碳酸燃料电池(MCFC) 熔融碳酸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，两电极反应和总反应为：阴极：阳极：总反应：322242COeCOOeOHCOCOH422222232OHHO222222.5 固态氧燃料电池(SOFC) 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上;它的燃料适用范围广不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（

6、甲烷）、煤汽化气、碳氢化合物、氨气、硫化氢等作燃料。这类电池最适合分散和集中发电。3、燃料电池的优缺点3.13.1 燃料电池与其他几种发电方式比较起来有以下几个主要优点： （1）燃料电池是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转变成电能，没有中间的能量转化环节，因而这种发电方式能量转化效率可高达50。还可回收发电过程中产生的余热。若把产生的余热再用于发电或供暖、供水等，综合考虑效率能达到80。 （2）燃料电池发电过程，机械部件很少，噪声低；化学反应的排出物主要是水蒸气等洁净的气体，不会污染环境。在环境污染日趋严重的今天，燃料电池的这个优点尤其可贵。3.2 燃料电池的缺点 (1)燃料电池的操作需

7、要催化剂。常用的催化剂是铂和钯，都是很昂贵的金属。 (2)要避免催化剂中毒的问题，电池所采用的燃料和氧化剂的纯度必须很高。生产纯氢气和氧气要求很高的技术。 (3)要能抵受高温碱性溶液的高度侵蚀环境，燃料电池的外壳必须采用特别材料。材料技术的进展缓慢，并未能找到适当的材料。 (4) 氢气十分易燃和易爆，因此必须小心处理。在燃料电池的商业应用中，如何安全配送氢气燃料成为一个主要障碍。兴建氢气配送系统的成本十分高。 (5)氢燃料基础建设不足, 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全世界充氢站仅约70站 ，仍值示范推广阶。此外，加气时间长，约需时5分钟, 尚跟不上工商时代的步伐。 3.3.1 发展

8、贵金属部分替代或完全替代的催化剂 优化制备方法， 利用形貌控制，可有效地提高催化剂活性与稳定性。利用高指数晶面Pt具有的开放表面结构、高密度的台阶原子以及其所处的短程有序环境等特点，使催化剂的活性和稳定性方面均得到显著提高。 Pt合金催化剂目前显示出较好的发展前景，借助加入第2或第3种非Pt金属，利用电子或几何效应，在达到低 Pt、高活性的同时，稳定性也相应提高。其中核壳型催化剂是研究热点之一，利用非贵金属为支撑核，表面贵金属为壳的结构，可降低Pt用量，提高质量比活性如由欠电位沉积方法制备的Pt-Pd-Co/C单层核壳催化剂总质量比活性是商业催化剂Pt/C的3倍; 利用脱合金方法制备的Pt-C

9、u-Co /C核壳电催化剂。质量比活性可达Pt/C的4倍 3.3.2 非Pt催化剂取代Pt催化剂 在探求低Pt催化剂的同时，非Pt催化剂的研究也一直在进行中。如金属硫族化合物、金属大环配合物等展示了较好的初活性，但稳定性还远满足不了要求。 近期，以载量为5.3mgcm- 2 的非贵金属 Fe/N/C 电催化剂制备的电极，低电流密度下与Pt载量为0.4 mgcm- 2 的Gore 电极性能相当但因前者担载量比 Pt催化剂高出几倍甚至十几倍，电极厚度随之增加，从而导致电极反应的传质阻力大幅度增加，而且其稳定性还需进一步改善。此外，近期研究的氮掺杂碳基非 Pt催化剂也表现出较高的氧还原反应催化活性与

10、稳定性。3.3.3 催化剂载体的改进 由于目前Pt催化剂载体大多采用XC- 72碳黑。在高电位及电位循环下会发生载体腐蚀，是造成催化剂团聚与流失的主要原因。 改进催化剂载体可以从 2 个方面着手，一是改进目前的碳载体材料，如高温石墨化处理、添加官能团等方法，可以提高高电位下载体的耐腐蚀性; 二是采用新的载体材料，碳纳米管或氮掺杂的碳纳米管、 纳米碳须、 WxCy、 氧化铟锡等碳与非碳载体。这些新型载体材料在一定程度上提高了耐腐蚀性，但是比表面积均远低于现有的载体材料。目前具有高导电、高比表面积与高耐蚀性兼顾的载体材料还是研究的难点。4、燃料电池的应用02040301在移动装置上军事上空间领域运

11、输上4.1 燃料电池在移动装置上的应用 伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。 目前，美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话，苹果新型氢燃料电池移动装置可撑数周，而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。图4-1 苹果新型氢燃料电池图4-2 东芝燃料电池笔记本电脑4.2 燃料电池在空间领域的应用 燃料电池在空间领域的应用：燃料电池最早和最成功的应用始于20世纪50年代，它被用作航天飞船的动力源。由于燃料电池相对于其他动力能源来说有很高的效率，因而可极大的减少体积和重量。对于航天器说，

12、减轻重量是很重要的！ 燃料电池没有同时在其他方面得到应用，主要的原因是当时的燃料电池造价昂贵；因此，降低燃料电池的造价是多年来研究和开发的主要内容。图4-3 “阿波罗11号”飞船4.3 燃料电池在军事上的应用 燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。在军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。 同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战

13、地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。 自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。图4-4 燃料电池无人机图4-5 德海军u212a燃料电池潜艇4.4 燃料电池在运输上的应用 在世界各地，国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆。燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。研究指出：当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。 燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，它所产生的副产品只有水和热。它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走。图4-6 燃料电池车基本结构图4-7 奔腾b70 fcv氢燃料电池车通用Hy-wire 氢动三号 由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机产生的电能输入电动机后，驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程可达400公里。图4-8 通用Hy-wire 氢动三号超越二号 同济大学参与研制的燃料电池