燃料电池的分类及发展.ppt

1、燃料电池分类和开发，1，2，燃料电池基本原理，燃料电池特性燃料电池能源转换效率，卡诺效率不受限制。干净环保。燃料电池不需要锅炉、蒸汽轮机等大型设备，也不需要SO x、NO x气体和固体粉尘排放。稳定性和可操作性好，噪音小。使用的燃料广泛，安装面积小，建设工厂具有很大的灵活性。3，燃料电池配置和工作原理燃料电池基本配置：阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料电池的电解质种类不同。图103燃料电池基本单位，4，燃料电池工作原理(例如氢磷酸电池)(1)氢在阳极催化剂的作用下产生以下阳极反应。(2)氢离子通过电解质到达阴极。电子还通过外部电路和负负载达到阴极。阴极催化作用下的生成伴随应变(3)综合起来，氢

2、氧燃料电池的整体电池反应如下。与电池反应一起，电池向外输出电力。只要维持氢和氧的供应，这种燃料电池就不断地发电。5，在燃料电池中的催化作用燃料电池中的电催化作用在燃料电池的化学反应中起到加速电荷转移的作用，一般发生在电极和电解质的界面上。催化剂是产生电催化作用的一种物质。电催化剂可以分别用于催化正负反应。这种分离的催化特征使人们能更好地优化不同的催化剂。*评价催化剂的主要技术指标是稳定性、电催化活性、导电性和经济性。6，燃料电池分类，1，燃料电池分类1，根据燃料电池工作机制。分为酸性燃料电池和碱性燃料电池2。根据电解质的种类，酸性、碱性、熔盐或固体电解质2.1碱性燃料电池(AFC)、2.2质子

3、交换膜燃料电池(PEMFC) 2.3磷酸燃料电池(PAFC)、2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、2.5固体氧化物燃料电池(2.5固体氧化物燃料电池)按燃料类型划分。3.1氢燃料电池3.2甲烷燃料电池3.3甲醇燃料电池3.4乙醇燃料电池，7，燃料电池可以根据其工作温度、使用的燃料种类和电解质类型分类。燃料电池可根据工作温度分为高、中、低温三类。燃料电池可以根据燃料来源分为直接燃料电池(如甲醇燃料电池)、甲醇通过重整装置生成氢，然后将氢作为燃料电池等间接燃料电池和再生类型。根据电解质的不同，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

4、物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。8，9，2.1碱性燃料电池(AFC)，2.1.1碱性染料电池介绍碱性燃料电池是这项技术发展最快的电池之一，主要负责向航天飞机等航天任务提供动力和饮用水。阴极反应：阳极反应：碱性燃料电池的工作温度约为80。因此，虽然运转速度快，但其功率密度比质子交换膜燃料电池的密度小10倍左右，因此，汽车使用看起来有些别扭。但是它们是燃料电池中生产成本最低的电池，可以用于小型固定发电设备。像质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对可能污染催化剂的一氧化碳和其他杂质非常敏感。一氧化碳与氢氧化钾电解质反应，产生碳酸钾，降低电池性能，因此不含一氧化碳为原料。10

5、，图108碱性燃料电池结构(自由电解质类型)，11，212 AFC的优点是在碱性介质中氧的还原反应比其他酸性介质高，因此效率高；因为是碱性介质，所以可以使用非铂催化剂。由于工作温度低，是碱性介质，所以可以用镍板制作双极板。21.3 AFC的缺点是电解质是碱性的，容易与CO2沉淀K2CO3、Na2CO3，对电池性能产生严重影响，因此需要去除CO2，这在现有环境中很难应用。电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。12，2.1.4，碱性普尔塞尔(碱普尔塞尔)是碱性普尔塞尔(碱普尔塞尔)的开发现状，是第一个开发和成功的燃料电池，自20世纪60年代开始用于宇宙飞船和月球着陆飞行。碱性燃料电池使用科赫等

6、碱性溶液作为电解质，分解为H2或NH3，N2H2的H2作为燃料，空气或O2作为氧化剂，使用贵金属(如Pt、Ag等)和过渡金属(如Ni等)，或由这些产品组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定性、耐久性等优点，电效率(60%)高，至今仍是最适合宇宙用途的燃料电池。碱性燃料电池分为中温(工作温度约523K)和低温(工作温度低于373K)两种。中温碱性燃料电池用于太空飞行和太空项目的电力，使用了几十年，被证明是安全可靠的宇宙电力。低温碱性燃料电池致力于今后的开发，以便携式电源及车辆用电源为目标。碱性燃料电池系统比其他燃料电池能效(60%)高，在室温下运行速度快，达到额定负载，电池主体材料的选择范

7、围大，电池成本低。因此，碱性燃料电池在便携式电源及车辆用电源中使用时，是一种高效、低成本的完成技术，发展和应用的可能性略高。碱性燃料在实际使用中经常使用空气作为氧化剂，空气中的二氧化碳中毒于碱性电解质，产生碳酸离子，这影响了电池的效率和寿命，碱性燃料电池系统需要复杂的CO2去除装置，只能用纯H2作为燃料。此外，碱性燃料电池用催化剂一般需要利用贵金属Pt获得电池的高性能，保持电解质浓度不变的控制系统。碱性燃料电池系统的复杂性和成本增加，不适合民间，与其他燃料电池相比竞争力下降。自13，90年代以来，很多汽车制造商正在研究将低温燃料电池用作汽车动力的可行性。低温碱性燃料电池由于CO2有毒化等缺陷，

8、在汽车上的应用受到限制，除了一些机构正在研究碱性燃料电池外，大多数汽车企业和研究机构都在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)中寻求突破。但是，PEMFC和DMFC都使用贵金属Pt作为主要催化剂，PEMFC和DMFC到达实际批量生产阶段时，将面临Pt的不足。碱性燃料电池不用贵金属作为催化剂，可以利用CO2过滤器或碱液循环等去除CO2，克服致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有实际意义。因此，碱性燃料电池领域的最新研究集中在CO2毒性解决方法和贵金属替代催化剂上。14，2.2质子交换膜燃料电池(PEMFC) 2.21质子交换膜燃料电池简介质子交换膜燃料电池(英语简称PE

9、MFC)原则上是相当于水电解的燃料电池。单个电池由正极、负极、质子交换膜组成，正极是氢燃料氧化的地方，负极是氧化剂还原的地方，正极包含加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜用作电解质。工作时使电流持续流动的电源的正极，即电源的负极，负极，等于电源的正极。请注意，两个电极的反应分别是正极(负极):2H2-4e=4H负极(负极):O2 4e 4H=2H2O所有电子e都省略了负上标。质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可以通过质子交换膜直接到达阴极，电子只能通过外部电路到达阴极。直流是在电子通过外部电路流入阴极时产生的。如果使用阳极作为参考，则阴极电位为1.23V。也就是说，每个单个电池的发电电压的理

10、论上限为1.23V。负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.51V之间。多个单个电池级联组合，构成了输出电压满足实际负载需求的燃料电池堆(电堆)。15，16，PEMFC的电极通常称为膜电极组件，是指由质子交换膜及其两侧各有多孔气体扩散电极(带催化剂的多孔炭布)构成的负离子、阳极和电解质的复合物。图1019膜电极结构图，17，核反应堆以串行方式耦合到多个单电池。双极板和膜电极3对1部件(MEA)交替重叠，在各个单体之间夹上密封件，前后板压入螺钉拧紧。即构成质子交换膜燃料电池反应堆。压缩时，气体的主通道必须相匹配，以便氢和氧可以无缝地访问每个单个电池。在反应堆运行过程中，氢和氧分别由进口引入，

11、通过反应堆气体的主通道分配给每个单电池的双极板通过双极板转换均匀分配给电极，通过电极支撑体(电极支撑体)与催化剂接触，进行电化学反应。核反应堆的核心是MEA组件和双极板。MEA将喷射Nafion溶液和Pt催化剂的两个碳纤维纸电极分别放置在质子交换膜的两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下成型。双极板一般采用石墨板材料制造，高密度、高强度、穿孔性泄漏、高压下无变形、良好的导电性能、良好的导热性以及与电极的兼容性。常用石墨双极板厚度约为23.7mm，铣床加工成与电池性能密切相关的恒定形状转换流体通道和流体通道。18，2 . 2 . 2 . 2质子交换膜燃料电池优点质子交换膜燃料电池具有以

12、下优点：其发展过程不包括氢和氧的燃烧，因此不受卡诺循环的限制，能量转化率高；发电时完全没有污染，发电单位模块化，可靠性高，组装和维修都方便，运行时没有噪音。因此，质子交换膜燃料电池电源是清洁高效的环保电源。质子交换膜燃料电池被公认为工作温度低、启动速度快、高于电力、结构简单、操作方便等电动车、固定电站等首选的能源。质子交换膜提供了燃料电池内质子移动和传递的通道，质子通过从阳极到阴极的膜，通过外部电路的电子转移形成电路，向外部提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，其好坏直接影响电池的寿命。19、质子交换膜有以下缺点：(1)制作困难、成本高，全氟合成和磺化非常困难，在成

13、膜过程中水解、磺化聚合物变性、降解、薄膜困难，成本高；(2)对温度和水分含量要求高的Nafion系列膜的最佳工作温度为7090，超过该温度，水分含量会急剧降低，传导性急剧降低，因此适当提高工作温度，提高电极反应速度，克服催化剂中毒的难题。(3)甲醇等一些碳氢化合物渗透性高，不适合直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜使用。20，21，质子交换膜燃料电池应用质子交换膜燃料电池发展是下一代发展技术，其广泛应用前景可以与计算机技术相比较。经过多年的基础研究和应用开发，以质子交换膜燃料电池为汽车动力的研究取得了实质性进展，小型质子交换膜燃料电池便携式电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源达到了产品化水

14、平，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。质子交换膜燃料电池氢的发展，显着提高了重要设备和建筑电气系统的供电可靠性，重要建筑向城市和中、小型质子交换膜燃料电池发电设备、太阳能发电、风力发电等分布式电源网络备份系统供电的灵活发电系统的变化，将大大提高建筑的智能水平、节能水平和环境亲和力。22，2 . 3 . 3磷酸燃料电池(PAFC) 2.3.1磷酸燃料电池工作原理磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)是一种中温燃料电池，通过电解浓缩磷酸，贵金属催化的气体扩散电极为正负电极。可以在150220工作。具有电解质稳定性、磷酸浓度、水蒸气抑制

15、、阳极催化剂不易共同毒性的优点，是接近商品化的民间燃料电池。燃料或城市煤气添加水蒸气，然后送到重整器，燃料转换成H2，CO，水蒸气的混合物，CO和水在移动反应器中通过催化剂进一步变成H2和CO2。这样处理的燃料气体进入燃料反应堆的阴极(燃料极)，同时将氧气输送到燃料反应堆的阳极(空气极)，产生化学反应，通过催化剂的作用迅速产生电力和热能。阳极反应：H2 2e- 2H阴极反应：1/2 O2 H2O 2e-总反应：1/2O2 H2 H2O，23，电池主体(即单电池)的输出电压在空载时为1伏左右。提高电流密度，通常设计为0.60.7V/单电池额定值。空载状态和实际电压之间的差异以热量的形式发出。而且

16、电池主体的发电效率不受电池面积的限制，因此燃料电池在本质上也是低容量的效率。实际使用的是根据输出的需要，连续将数十到数百个电池本体积累成电池组。24，2.3.2磷酸燃料电池特性2.3.2.1磷酸燃料电池特性排气清洁燃料不燃烧而发电，因此几乎没有NOX，SOX。大气污染物参考图：25。以发电效率高的内燃机发电设备为例，燃烧燃料驱动涡轮等机械能将发电机转换为电能，能量损失很大。但是燃料电池作为发电，将燃料的化学能直接转换为电能，能量转换损失小。结果发展效率比传统发展高得多。26。低噪音，低振动不伴随旋转机器的发展方式，所以在低噪音，低振动下运行。噪音的比较如下：27，2.3.3磷酸燃料电池使用PA

17、FC作为中低温(工作温度180-210)燃料电池，具有发电效率、清洁、应用多种燃料、无噪音、低运行成本、低安装场所限制、大气压操作简便、良好的安全性、部分负载特性等特点，大部分热量可以用热水回收。即可从workspace页面中移除物件。PAFC用于分布式发电站，容量在10-20MW之间，并且安装在配电站上。中央发电站可以用作容量超过100MW的中等规模火力发电站。PAFC发电厂的优点是，即使发电负荷比普通发电厂低，也能保持较高的发电效率。采用模块结构，现场安装简单，节省时间，方便电厂扩建。28，2.4熔融碳酸燃料电池(MCFC)的操作温度可达650。这种电池效率高，但对材料需求的要求也高。熔融碳酸盐燃料电池与上述燃料电池的差异很大。这种电池不是使用熔化的碳酸锂钾，也不是用碳酸锂作为电解质。温度加热到650时，这种盐会融化，产生碳酸离子，从阴极流向阳极，与氢结合，产生水、二氧化碳和电子。然后电子通过外部电路返回阴极，在这个过程中发电。阳极反应：CO32- H2 H2O CO2 2e-阴极反应：