新能源汽车储能装置与管理系统课件：燃料电池

燃料电池掌握锂离子动力电池的储能原理与结构。掌握锂离子动力电池的性能及检测。了解锂离子动力电池的应用。学习目标2燃料电池的类型与特点3燃料电池结构与工作原理1燃料电池的发展与应用

燃料电池的开发历史相当悠久，1839年，英国人格罗夫通过将水的电解过程逆转发现了燃料电池的原理。他用铂作电极，以氢为燃料，氧为氧化剂，从氢气和氧气中获取电能，自此拉开了燃料电池发展的序幕。20世纪50年代，培根成功开发了多孔镍电极，并制备了5kW碱性燃料电池系统，这是第一个实用性燃料电池。90年代，质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用立体化电极和薄的质子交换膜之后，技术取得一系列突破性进展，极大地加快了燃料电池的实用化进程。燃料电池的发展与应用

燃料电池的分类有多种方法，可以依据其工作温度、燃料种类、电解质类型、燃料处理方式的不同进行分类。燃料电池的类型与特点1.燃料电池的分类工作温度低温燃料电池碱性燃料电池(工作温度为100℃)磷酸燃料电池(工作温度为200℃)质子交换膜燃料电池(工作温度为100℃以内)高温燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(工作温度为650℃)固体氧化物燃料电池(工作温度为1000℃)燃料电池的类型与特点发电效率高、环境污染少

能量转化效率高

燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。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。负荷响应快，运行质量高

高可靠度供电燃料电池的类型与特点2.燃料电池的特点燃料电池的优点燃料电池造价偏高反应/起动性能差

燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。碳氢燃料无法直接利用

除甲醇外，其他的燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。氢气储存技术达不到要求

FCV的氢燃料是以压缩氢气为主，车体的载运量因而受限，每次充填量仅2.5~3.5公斤，尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。燃料电池的类型与特点燃料电池的缺点1.燃料电池结构燃料电池结构与工作原理

它的基本原理相当于电解反应的可逆反应。下图燃料电池结构与电化学反应原理。

燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能通过在两电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电(发电)。燃料电池结构与工作原理2.燃料电池工作原理质子交换膜燃料电池采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。

质子交换膜燃料电池的基本结构

质子交换膜燃料电池由质子交换膜、催化剂层、扩散层、双极板等组成燃料电池结构与工作原理质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阴极为氧化剂还原的场所，阳极为氢燃料发生氧化的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。燃料电池结构与工作原理质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池的优点：能量转化效率高。

可实现零排放。

运行噪声低，可靠性高。

维护方便。

发电效率受负荷变化影响很小。

氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源。

氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。

质子交换膜燃料电池的缺点：

成本高。

电池需要纯净的氢，而纯净的氢极易受到一氧化碳和其他杂质的污染。

燃料电池结构与工作原理质子交换膜燃料电池的特点

碱性燃料电池以强碱(如氢氧化钾、氢氧化钠)为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。燃料电池结构与工作原理3.碱性燃料电池碱性燃料电池的结构与工作原理碱性燃料电池与其他类型燃料电池相比，具有以下特点。(1)碱性燃料电池具有较高的效率(50％～55％)。(2)工作温度大约为80℃，因此启动很快，但其电力密度却是质子交换膜燃料电池的1/10。(3)性能可靠，可用非贵金属作催化剂。(4)碱性燃料电池是燃料电池中生产成本最低的一种电池。(5)碱性燃料电池是技术发展最快的一种电池。(6)使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性且容易造成环境污染，为解决CO2毒化所采用的一些方法，如使用循环电解液、吸收CO2等增加了系统的复杂性。燃料电池结构与工作原理碱性燃料电池的特点4.磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池。磷酸燃料电池被称为继火电、水电、核电之后的第四种发电方式，是目前唯一商业化运行的燃料电池。燃料电池结构与工作原理

磷酸燃料电池的电池片由基材及肋条板触媒层所组成的燃料极、保持磷酸的电解质层、与燃料极具有相同构造的空气极构成。磷酸燃料电池的结构燃料电池结构与工作原理

磷酸燃料电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料、氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。燃料电池结构与工作原理磷酸燃料电池的工作原理

(1)磷酸燃料电池的工作温度(150～200℃)要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。(2)磷酸燃料电池的效率比其他燃料电池低，约为40％，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。(3)磷酸燃料电池构造简单、稳定、电解质挥发度低。燃料电池结构与工作原理磷酸燃料电池的特点熔融碳酸盐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。单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极、电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成，燃料电池结构与工作原理5.熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池的结构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过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。燃料电池结构与工作原理

熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700℃)，具有效率高(高于40％)、噪声低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料廉价等诸多优点，是新一代的绿色电站。燃料电池结构与工作原理熔融碳酸盐燃料电池的特点

固体氧化物燃料电池是一种在中、高温下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。它被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛应用的一种燃料电池。6.固体氧化物燃料电池燃料电池结构与工作原理

固体氧化物燃料电池的单体主要由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极和连接体或双极板组成。燃料电池结构与工作原理固体氧化物燃料电池的结构

固体氧化物燃料电池工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解质由阴极流向阳极。燃料电池结构与工作原理固体氧化物燃料电池的工作原理(1)固体氧化物燃料电池是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，无须配置电解质管理系统，可实现长寿命运行。(2)对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其他碳氢化合物作为燃料。(3)固体氧化物燃料电池直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，发电效率高，能量密度大，能量转换效率高。(4)工作温度高，电极反应速度快，不需要使用贵金属作电催化剂。(5)可在高温进行内部燃料重整，使系统优化。(6)低排放、低噪声。(7)废热的再利用价值高。(8)陶瓷电解质要求在中、高温(600～1000℃)运行，加快了电池反应的进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化