燃料电池完整版本

专题1.燃料电池(FuelCell)主要内容1.燃料电池的分类2.固态燃料电池的结构和分类3.現今发电方式的瓶颈一般我们熟知的发电方式就是利用燃料(石油、瓦斯、汽油、核能等)通过化学变化产生热能之后，间接利用水蒸汽推动发电机来产生电能。这样的能量转换过程需要经过许多程序，相对其转换的过程中也消耗了许多不必要的浪費，以至于最后变成电能的效率通常都只剩下_____左右。30%圖片取自「新核家園」網站未来的希望若可以不要经过这些复杂且不必要的化学变化，而是直接将燃料转换成电能，理论上就可以大幅提高能源转换的效率！誰會是明日之星？！燃料電池燃料電池登場以特殊催化剂使燃料与氧气发生反应产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推动滑轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%～80%左右，足足比一般发电方法高出了40%以上。

燃料電池的優勢低污染高效率無噪音用途廣免充電燃料來源廣燃料電池比一般發電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料，其排放物是可供飲用的水和可以利用的熱能。發電主體不含迴轉機件時則無噪音問題，若需散熱則有風扇的雜音。

燃料電池所能提供的電力範圍廣泛(1W~1000MW)，因此可應用的產品也多。

一般電池係將能源貯藏於電池本體中，待用完後即需捨棄或重新充電，以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供，不含在電池本體結構中，因此只要燃料源源不絕的供應，燃料電池便可以不停的發電。

只要含有氫原子的化石能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能源進料。

因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，故不受卡諾循環的限制。

燃料電池的定義燃料电池（Fuelcell），是一种使用燃料进行化学反应直接产生電力的裝置燃料的选择性非常高，包括氢气、甲醇、乙醇、天然气，甚至于現在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的燃料燃料電池的起源1839年，由英國法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一次實驗中意外發現了燃料電池的發電原理；但當時因為電極材料問題，使這項發明未受重視。1959年，法兰西斯培根(FrancisT.Bacon)制作出一個5kW的燃料電池組，能夠推动高耗能电器，使这项技术得以走出实验室。其后使用氢气为燃料的碱性燃料電池(AFC)更成功的应用在太空梭的电力供应系统；加上产物是纯净的水，故也成为太空人饮用水的来源之一。你可以这样记忆，只要是“燃料电池”，总反应一定是燃烧反应总反应：C2H4+3O2=2CO2+2H2O注意电解质是什么，这决定了电极反应式中写什么离子，如何配平，这里是熔融的碳酸盐，所以电极反应式中只能出现CO3^2-进行电荷的配平，而质量的配平可以适用CO2和H2O负极一定是燃料，C2H4：C2H4-12e-+6CO3^2-=8CO2+2H2O正极一定是助燃物，O2：3O2+12e-+6CO2=6CO3^2-写完后，不妨将正极和负极的电极反应式相加，约去得失的电子，看看能否得到总反应，若能，即说明写对了。燃料电池的分类1.按燃料电池的运行机理分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。在酸性条件下，溶液中游离的是H+离子;在碱性条件下，溶液中游离的是OH-离子所以，在酸性条件下H+离子出现在两个电极方程式的两端之一,OH-离子亦然

1.酸性条件下（如稀硫酸时——酸性环境传递H+）

负极：2H2-4e-=4H+

正极：O2+4e-+4H+=2H2O2.碱性条件下(如电解质溶液为30%的KOH溶液时—碱性环境传递OH-）负极：2H2+4OH--4e-=4H2O正极：O2+4e-+2H2O=4OH-3、当电解质溶液接近中性时：正极：O2+4e-+2H2O=4OH-

负极：2H2-4e-=4H+2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。

燃料电池可分为：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其余的燃料电池均属于酸性燃料电池。可用于汽车的一般是PEMFC。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。依电解质的种类，燃料電池一般可分为质子交换膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）碱性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）熔融碳酸盐燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固态氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的一种）目前主要的方式1）碱性燃料电池（AFC）采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高（可达60一90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。（2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。

3）磷酸燃料电池（PAFC）采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。

4）熔融碳酸燃料电池（MCFC）工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。

（5）固志氧燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。

3.按燃料类型分:

有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器"重整"为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。

4.按燃料电池工作温度分：

有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200～750℃；高温型，温度高于750℃在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生"中毒"现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。

另一类是在高温（600～1000℃）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。

低温燃料电池

（60—120℃）中温燃料电池（160-220℃)高温燃科电池

(600—1000℃)类型

AFC碱性燃料电池PEMFC或SPFC质子交换膜或固态聚合物燃料电池PAFC磷酸燃料电池MCFC熔融碳酸燃料电池SOFC固态氧燃料电池应用太空飞行、国防汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂热电联产电厂联合循环热电厂、电厂船、铁路用车电厂、家庭电源传送开发的状态在太空飞行中的应用家庭电源试验项目、小汽车公共汽车、试验的热电联产电厂具有200kW功率的电池在工业中的应用(大约160个电厂)容量为280kW至2MW的试验电厂100kW的试验电厂特性

无污染排放污染排放在0和很低的水平之间低污染排放有效利用能源有效利用能源电效率高低噪音水平低噪音水平低噪音水平低噪音水平制造费用非常贵固体电解质适合于大规模生产是热电联产电厂的三倍费用没有外部气体配置没有外部气体配置不适合于工业应用与常规技术相比很贵随着连续运行电效率降低腐蚀性电解液腐蚀性电解液少维护与常规技术相比很贵随着连续运行电效率的减小腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体

KOH溶液质子可渗透膜磷酸锂和碳酸钾固体陶瓷体燃料

纯氢氢，甲醇天然气天然气，氢天然气煤气沼气天然气．煤气沼气日化剂纯氢大气中的氢气大气中的氢气大气中的氧气大气中的氧气电效率

60-90％43-58％37-42％＞50%50-65%（1）质子交换膜燃料電池（PEMFC）

主要是利用氢气進入電池组，经由扩散层，与触媒层中的触媒作用后，氧化为氢离子(质子)并释放出電子，同时在阴极与氧气反应产生电位差发电按此看动画H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O圖片取自「科學人雜誌」回到課程燃料電池(FuelCell)?

Anode(陽極,燃料端)reaction:H2

Þ2H++2e-Cathode(陰極,氧氣端)reaction:½O2+2H++2e-Þ

H2OOverallreaction:

H2+½O2

Þ

H2O+Heat+WeFuelcellisnotabattery,anditisa

powergenerator!它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

Fuelcellisnotabattery,anditisa

powergenerator!质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源.用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当。氢燃料电池的化學反應式下列为阴阳极之半反应及总反应式：阳极(電池负极)半反应

H2→2H++2e-

（氧化反应）阴极(電池正极)半反应

2H++½O2+2e-→H2O

（还原反应）总反应

H2+½O2→H2OΔE=1.229V(latm、25℃)

质子交换膜型﹝PEMFC﹞其反应式如下：

阳极

H2+

→

2H

+

2e-

阴极

1/2

O2

+

2H+

+

2e-

→

H2O

全反应

1/2

O2

+

H2

→

H2O

质子交换膜型﹝PEMFC﹞燃料電池为了加速电极的反应，电极中通常会加入催化剂如铂﹝白金﹞，但由于PEMFC內需含水分，所以操作温度必须控制在100℃以下，此时铂容易产生不完全反应并制造出一氧化碳﹝CO﹞，进而失去催化的效果，因此多加入铑[lǎo]或铱[yī]等贵金属于铂之中，如此一成本就向上攀升。电解水按此看动画再生氫氧燃料電池工作原理再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能+2H2O→2H2+O2)与氢氧燃料电池技术(2H2+O2→H20+電能)相结合

,氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以「再生」,起到蓄能作用。可以用作空间站电源。

固态氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。燃料电池的历史可以追溯到1839年，固体氧化物燃料电池的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。电解质

电池结构：阳极(NiO+YSZ)+电解质(YSZ)+阴极(LSM)

具体参数:单电池总厚度在0.4mm左右,电解质膜厚10um左右,功率密度在750℃下达0.4w/cm2;抗弯强度在250MPa以上（阳极支撑平板型SOFC）采用柠檬酸络合法为中温固体氧化物燃料电池制备了La0.85Sr0.15MnO3Ce0.7Bi0.3O2(LSMCBO)复合阴极材料2.大面积Ni-YSZ多孔阳极基膜nickelandyttria-stabilizedzirconia(Ni/YSZ)氧化钇稳定立方氧化锆

1.

负载YSZ致密膜SOFC的优点SOFC与第一代（磷酸型燃料电池，简称PAFC）、第二代燃料电池（熔盐碳酸盐燃料电池，简称MCFC））相比它有如下优点：（1）较高的电流密度和功率密度；（2）阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；（3）可直接使用氢气、烃类（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；（4）避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；（5）能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；（6）广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；（7）陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

总之，固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

Specificationofcellsusedinthestackmodule:Singlecell:AnodesupportedNi-YSZ/YSZ/LSMSize:100mmX100mmEffectivearea:68.64cm2

Specificationofstackmodule:Numberofcells:30cellsVolume:100mmX100mmX83mmWorkingtemperature:700~900°CFuel/Air:H2/AirPower:>=300W@800°CVolumetricpowerdensity:>=360W/literDegradationrate:<=10%/1000h@800°CPrice:29,000RMB/stack电池堆参数、性能和价格

电池堆疊堆式電池組–燃料流程3M在PEMFC中，电极各处均能获得充足的反应剂、及时把电池生成水排出，是保证PEM燃料电池正常运行的关键。双极板是燃料电池关键部件之一，双极板的构造对上述现象产生和消除有直接影响。双极板的流道设计是否合理显得尤为重要，设计不合理是导致电池性能下降的主要原因。设计合理的流场板，应能够：(1)均匀分配电池发电所需的燃料与氧化剂，保证电流密度分布均匀，避免局部过热；(2)使反应所生成的水在反应尾气吹扫和夹带下顺利排除。流道内何种流速可以排除生成水，且流量又不至影响电池的效率，这是需要研究的关键问题之一。双极板的正反两面都置有不同形式的流道，一面是氧化剂的流动，另一面是燃料的流动。复合双极板如图1．5所示，采用薄金属板或其它强度高的导电板作为分隔板，厚度一般为0．1～0．3mm(1)分隔氧化剂与还原剂。要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料，否则必须采取措施堵孔。(2)有收集电流作用，必须采用电的良导体；双极板必须是良导热体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。(3)已开发成功的几种燃料电池，其电解质均为酸或碱，双极板所处环境同时存在氧化介质(如氧气)和还原介质(如氢气)，故双极板材料必须在电池工作条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。(4)双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道，以确保反应气在整个电极各处均匀分布。(5)双极板在燃料电池组内起着支撑膜电极、保持电池堆稳定的作用，这就要求双极板材料重量轻、强度好，且适于批量生产。在质子交换膜燃料电池组内，双极板具有以下功能和特点：燃料电池工程中心进行电池材料的制备，研究SOFC的新型结构和组装技术并进行SOFC的应用基础研究。已掌握LSM阴极，Ni-YSZ阳极及高温密封材料的制备制备工艺。开发出中溫SOFC用大面积Ni-YSZ多孔阳极基膜和负载YSZ致密膜以及电极膜三合一的制备工艺，制备的负载YSZ致密膜厚度小于10μm。中温SOFC在800℃时的功率密度达到0.15W/cm2。目前正在进行千瓦级电池组的开发。

nickelandyttria-stabilizedzirconia(Ni/YSZ)氧化钇稳定立方氧化锆

熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料電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電池。其电解质是熔融态碳酸盐。

反应原理示意图如下：

阴极：O2+2CO2+4e-→2CO32-

阳极：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–

总反应：O2

＋2H2→2H2O总反应：O2

＋2H2→2H2O阴极：O2+2CO2+4e-→2CO32-阳极：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–

2.直接甲醇燃料電池DirectMethanolFuelCell（DMFC,PEMFC的一種）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。

甲醇燃料电势一般情况下，单电池只有0.5V左右的开路电位，其最大功率约为80mW/cm2。能量密度很低。（ⅰ）Theheartoffuelcellisthe

membrane

–

electrode

assembly(MEA)AMEAcontains:§Cathode•cathodedifusionlayer•cathodecatalystlayer§Anode•anodediffusionlayer•anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode•cathodedifusionlayer•cathodecatalystlayer§Anode•anodediffusionlayer•anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode•cathodedifusionlayer•cathodecatalystlayer§Anode•anodediffusionlayer•anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode•cathodedifusionlayer•cathodecatalystlayer§Anode•anodediffusionlayer•