现代电池技术：第11章 燃料电池

1、第十一章燃料电池Fuel Cell燃料电池概述燃料电池(Fuel Cell)：简单地说，燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。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。但是，它工作时需要连续地向其供给活性物质燃料和氧化剂这和其他普通化学电池不大一样。1839年由W. R. Grove首先制成1959年F. T. Bacon制成第一只实用型燃料电池1966年美国的空间飞行器开始将氢-氧燃料电池作为辅助电源1973年中东战争后，由于能源危机，美日等国制定燃料电池的长期发展计划；目前，正朝地面用燃料电池的研制和空间用燃料电池的改进和提高方向发展燃料电

2、池概述燃料电池特点 燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在60%80%，而火力发电和核电的效率大约在30%50%。有害气体x、x及噪音排放都很低，2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。燃料适用范围广积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电

3、站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适燃料电池特点负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。理论比能量相当高 目前，燃料电池的实际比能量只有理论值的1/10左右，但仍比一般电池的实际比能量高得多。燃料电池类型低温燃料电池(60120) 中温燃料电池(160220) 高温燃科电池(6001000) 类型 碱性燃料电池(AFC) 质子交换(PEMFC)或固体聚合物(SPFC)燃料电池磷酸燃料电池(PAFC) 熔融碳酸燃料电池 (MCF

4、C)固态氧燃料电池 (SOFC)燃料纯氢 氢，甲醇天然气 天然气，氢 天然气煤气沼气 天然气煤气沼气 氧化剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 电解质氢氧化钾溶液 质子可渗透膜 磷酸 锂和碳酸钾 固体院瓷体 电极多孔质石墨(Pt或Ni催化)多孔质石墨(Pt催化)多孔质镍氧化镍系统效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% 燃料电池类型燃料电池工作原理燃料电池工作原理燃料电池效率化学能转化为电能的途径：燃料蒸汽蒸汽机发电机电能燃料内燃机发电机电能燃料燃料电池电能热机转化效率蒸汽机c=45%左右；柴油机c=30%左右；汽油机c=20%左右；燃料电池转化效

5、率燃料电池效率燃料电池工作电压燃料电池工作电压：气体扩散电极电极中的催化剂(氢、氧反应过电位高)：加速电极反应导电性好耐电解液腐蚀在水溶液中不受OH-的影响电极过程气相扩散溶解液相扩散吸附电化学反应电极要求有活性高、寿命长的电催化剂能使电极内部建立起大量稳定的三相反应区能使反应物和生成物在气相和液相中迅速传递能使电子在固相中迅速传导防水型电极、培根型电极、隔膜型电极燃料、水及热燃料的生产和提纯：甲醇制氢CH3OH + H2O 3H2 + CO2 (重整)CH3OH 2H2 + CO (热裂)氨裂解制氢NH3 3H2 + N2水煤气制氢C + H2O H2 + COCO + H2O H2 + C

6、O2水的生成及排除采用碱性电解液，在负极生成水：负极反应：2H2+4OH-4H2O+4e-正极反应：4e-+O2+2H2O 4OH-电池反应：2H2+O2 2H2O采用酸性电解液，在正极生成水：负极反应：2H24H+4e-正极反应：4e-+O2+4H+ 2H2O电池反应：2H2+O2 2H2O排水方法：动态排水：用泵循环氢气，将水蒸汽带出，再冷凝回收静态排水：利用浓差原理将水转移排除热的生成及排除采用电池本体外部冷却法：冷却剂通过电池组内部管道进行循环电极气体通过外部冷却器进行循环电解液通过外部冷却器进行循环燃料电池系统碱性燃料电池Alkaline Fuel Cell 工作原理：负极反应：2H

7、2+4OH-4H2O+4e-正极反应：4e-+O2+2H2O 4OH-电池反应：2H2+O2 2H2O碱性燃料电池优缺点优点首先用于太空计划使用KOH为电解质使用非贵重金属为电极触媒，种类多、价格便宜，如银、镍操作温度100250化学反应快且转换率高缺点电解质是液态燃料必须是高纯度的氢电解质易与空气中的二氧化碳结合生成碳酸钾，影响电解质的品质，导致发电性能衰退磷酸型燃料电池 Phosphoric Acid Fuel Cell 工作原理：负极反应：2H2+4H3PO44H4PO4+4e-正极反应：4e-+O2+4H4PO4+ 2H2O+4H3PO4电池反应：2H2+O2 2H2O磷酸型燃料电池优

8、缺点优点运用于大型发电机组上且已成功商业化生产电解质为85%的磷酸工作温度为120200废热可回收再利用缺点催化剂为白金，价格昂贵电极容易受CO毒化成本居高不下熔融碳酸盐燃料电池 Molten Carbonate Fuel Cell 工作原理：负极反应：H2+CO32-H2O+CO2+2e-正极反应：CO2+2e-+1/2O2 CO32-电池反应：2H2+O2 2H2O熔融碳酸盐燃料电池优缺点优点电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐电极是具有透气性的多孔质镍电极操作温度约为600700，不需重组器废热可回收再使用发电效率高，适合于中央集中型发电厂价格较低缺点操作温度高导致电极容易腐蚀而降低使用寿

9、命固体氧化物燃料电池 Solid Oxide Fuel Cell 工作原理：负极反应：2M+H22MH2MH+O2-2M+H2O+2e-正极反应：2e-+1/2O2 O2-电池反应：2H2+O2 2H2O固体氧化物燃料电池优缺点优点电解质为氧化锆，含有少量的氧化钙与氧化钇操作温度约为1000，稳定度较高不需重组器废热可回收再使用适合于中等规模发电机组不受CO影响，可忍受较多硫化物价格较低缺点操作温度高导致电池启动慢，需要更多保温设备以维持电池高温不适用于交通工具以及随身携带质子交换膜燃料电池 Polymer Electrolyte Membrane (PEMFC) Proton Exchange Membrane (PEFC)工作原理：负极反应：2H24H+4e-正极反应：4e-+O2+4H+ 2H2O电池反应：2H2+O2 2H2O质子交换膜燃料电池 Polymer Electrolyte Membrane (PEMFC) Proton Exchange Me