燃料电池的分类及应用.ppt

1、1、燃料电池的基本原理、燃料电池的特点燃料电池的能量转化效率高，不受卡诺效率的限制。 清洁环保。 燃料电池不需要锅炉、蒸汽轮机等大型设备，不排放SO x、NO x瓦斯气体和固体粉尘。 可靠性和操作性良好，噪音低。 使用的燃料大，占地面积小，建设工厂有很大的灵活性。 2、燃料电池的构成和工作原理燃料电池的基本构成：阳极、阴极、电解质和外部电路。 燃料电池中的电解质种类不同。 图103的燃料电池的基本电池、3、燃料电池的工作原理(以羟基磷酸型电池为例) (1)氢瓦斯气体在阳极催化剂的作用下，发生以下阳极反应： (2)氢络离子通过电解质到达阴极。 电子通过外部电路和负载也能到达阴极。 (3)总而言之

2、，氢氧化燃料电池中的总电池反应是伴随着电池反应，电池向外部输出电能。 只要维持氢和氧的供给，这个燃料电池就会不断地产生电能。 4、燃料电池中的催化作用燃料电池中的电催化作用是促进燃料电池化学反应中的电荷传递作用，一般发生在电极和电解质的界面上。 催化剂是起电催化作用的物质。 电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极的反应。 这种分离的催化特性使人们能够更好地优选不同的催化剂。 *做评估催化剂的主要技术指标是稳定性、电催化活性、电导率和经济性。5、燃料电池分类、一、燃料电池分类1、燃料电池运转反应历程分类。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。 根据电解质的种类，可以分为酸性、碱性、熔盐类或固体电解质2.

3、1碱性燃料电池(AFC )、2.2质子交换膜燃料电池(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(SOFC )、3 .燃料的种类。 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、6、燃料电池可以根据其工作温度、使用燃料的种类和电解质的种类进行分类。 根据工作温度，燃料电池可分为高、中、低温3种。 根据燃料源的不同，燃料电池分为直接式燃料电池(直接甲醇燃料电池等)、间接式燃料电池(甲醇在重整器中产生氢，以氢作为燃料电池的燃料等)和再生类型。 根据电解质，燃料电池被分为碱性燃料电池(AFC )、磷酸型燃

4、料电池(PAFC )、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC )和质子交换膜燃料电池(PEMFC )等。7、8、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该技术发展最快的电池，主要是为航天器提供动力和饮用水的空间任务。 负极反应：正极反应：碱性燃料电池的工作温度约为8.0。 因此，启动也很快，但其电力密度比质子交换膜燃料电池的密度低十几倍，在汽车上使用相当笨拙。 但是，这些个是燃料电池中生产成本最低的电池，因此可以用于小型的固定发电装置。 像质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池还受到了污染催化剂的一氧化碳和其他杂质的感动。 另外，其原料中不

5、能含有一氧化碳。 这是因为一氧化碳与氢氧化钾元素电解质反应生成碳酸钾元素，使电池的性能降低。 9、图108的碱性燃料电池的结构(自由电解质型)、1.0、212AFC的优点是：效率高，碱性介质中的氧还原反应比其他酸性介质高，因此，可以使用非铂催化剂，工作温度低，是碱性介质，因此，用镍板即可形成双极板21.3 AFC的缺点是，由于电解质是碱性的，CO2和K2CO3、Na2CO3容易沉淀，对电池性能影响很大，因此必须除去CO2，这给在通常的环境中的应用带来了很大的困难。 电池水平衡问题复杂，影响电池的稳定性。1.1、2.1.4、碱性染料电池的发展现状碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell

6、，碱性燃料电池)是最早研制成功的燃料电池，已从六零年代用于宇宙飞船和月球飞行。 碱燃料电池以KOH等碱溶液为电解质，以H2、NH3、N2H2分解的H2为燃料，以空气和O2为氟化剂，作为催化剂，使用了贵金属(Pt、Ag等)和过渡金属(Ni等)或由这些个构成的合金等。 碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点，具有高电效率(60% )，迄今为止是最适合在宇宙中使用的燃料电池。 碱性燃料电池分为中温(工作温度约523K )和低温(工作温度不足373K种。 中温碱性燃料电池用于宇宙航行和宇宙项目工程的电源，经过数十年的使用，被证明为安全可靠的宇宙电源的低温碱性燃料电池是今后发展的重点，其应用目标是便携式电源和

7、交通工具用动力电源。 碱性燃料电池与其他燃料电池相比，碱性燃料电池系统具有较高的电效率(60% )，可以在室温下快速启动，迅速达到额定负载，且电池的主体材料广泛选择，电池成本低。 因此，碱性燃料电池作为一种高效廉价的成熟技术，如果应用于便携式电源和交通工具用动力电源，将有一定的发展和应用前景。 碱燃料在实际使用中，多采用空气作为氟化剂，空气中的CO2污染碱电解质生成碳酸络离子，影响电池的效率和寿命，因此碱燃料电池系统需要复杂的CO2去除装置，且仅使用纯H2作为燃料，而碱燃料电池的催化剂使用贵金属Pt 这些个会导致碱燃料电池系统的复杂化，成本升高，不适合民生，与其他燃料电池相比，竞争力降低。 1

8、.2、2.0世纪9.0年代以来，很多汽车制造厂都在研究低温燃料电池作为汽车动力的可能性。 低温碱性燃料电池具有容易被CO2毒害等缺点，以及在汽车上的应用受到限制，因而除少数机构研究碱性燃料电池外，还有许多汽车制造厂和研究机构对质子交换膜燃料电池(PEMFC )及直接甲醇燃料电池(DMFC )的研究取得突破。 但是，PEMFC和DMFC以贵金属Pt为主要催化剂，PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，Pt的缺乏就迫在眉睫。 碱性燃料电池可以不使用贵金属作为催化剂，用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服了其致命弱点后，汽车用碱性燃料电池具有现实意义。 因此，碱性燃料电池领域近年来的研究

9、重点是CO2毒化解决方法和取代贵金属的催化剂。 1.3，2.2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(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC )是一种燃料电池，原理上相当于水电解的“逆”装置。 其单电池由阳极、阴极和质子交换膜构成，阳极是氢燃料氧化的地方，阴极是氟化剂还原的地方，两极含有促进电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。 动作时相当于直流电源，其阳极为电源负极，阴极为电源正极。 两电极的反应分别为阳极(负极):2H2-4e=4H阴极(正极):O2 4e 4H=2H2O注意所有的电子e省

10、略了负号。 由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可以直接通过质子交换膜到达阴极，电子可以通过外部电路到达阴极。 电子通过外部电路流向阴极时产生直流。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。 也就是说，单电池的发电电压的理论上限为1.23V。 在已经连接负载的情况下的输出电压取决于输出电流密度，通常为0.51V之间。 通过层叠组合多个单电池，能够构成输出电压满足实际负载的需要的燃料电池栈内存(简单地为栈内存)。 1.4、1.5、PEMFC的电极常被称为膜电极组件，是指由质子交换膜及其两侧各一片多孔质瓦斯气体扩散电极(涂有催化剂的多孔质碳纤维布)构成的阴、阳极和电解质的复合物。 图1019的膜电极

11、构造的示意图、图1.6、电炉是将多个单电池串联层叠组合而成的。 双极板和膜电极三元组(MEA )交替重合，在各单体之间嵌入密封材料，用前、后端板按压后，用螺杆紧固，构成质子交换膜燃料电池栈内存。 重叠冲压时，为了使氢和氧能顺利到达所有的单电池，必须正确的设置瓦斯气体的主通路。 电炉操作时，氢和氧分别通过进口导入，通过电炉瓦斯气体的主通路分配到各单电池的双极板，通过双极板导向件均匀分配到电极，通过电极支撑体和催化剂的接触进行电化学反应。 电炉的核心是MEA组件和双极板。 MEA是将喷有萘络离子溶液和Pt催化剂的碳纤维布纸电极分别置于预处理过的质子交换膜的两侧，使催化剂接近质子交换膜，在一定的温度

12、和压力下压制而成。 双极板由石墨板材料制成，具有高密度、高强度、无穿孔性瓦斯气体泄漏、高压下无变形、导电、导热性好、与电极相容性好等特点。 常用的黑金属铅双极板厚度约为23.7mm，通过成形铣刀盘加工成具有一定形状的流水槽和流体通路，其流路设计和加工技术与电池性能密切相关。 1.7，2.2.2质子交换膜燃料电池的优势质子交换膜燃料电池是，其发电过程不参与氢氧燃烧，不受卡诺循环限制，具有能量转换率高，发电时不产生污染，发电机组被模数化，可靠性高，组装与维护方便，工作中也无噪音。 因此，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁高效的绿色环境电源。 质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比电力高、结构简单、

13、操作方便等被公认为电动汽车、固定发电站等的优先能源。 在燃料电池内部，质子交换膜提供质子移动和输送的通路，质子通过膜从阳极到达阴极，构成外部电路的电子转移和电路，向外部供给电流，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。 (1)制作困难、成本高、全氟物质的合成和磺化非常困难，并且成膜过程中的水解作用、磺化容易使聚合物改性、分解、成膜困难、成本高；(2)对温度和水分量的要求高，萘络离子类膜的最佳工作温度超过该值，水分量急剧下降，电导性急剧下降，通过适当提高工作温度来提高电极反应速度，阻碍了克服催化剂中毒的难题(3)在甲醇等碳氢化合物中，渗透率高，不适合作为

14、直接甲醇燃料电池(DMFC )的质子交换膜。 1.9、2.0、质子交换膜燃料电池的应用质子交换膜燃料电池发电作为下一代发电技术，其广泛应用前景可匹敌计算机技术。 经过多年的基础研究和应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究取得了实质性的进展，微质子交换膜燃料电池便携式电源与小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，大中型电力质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。采用质子交换膜燃料电池氢能源发电，大大提高了关键设备和建筑电气系统的供电可靠性，将重要建筑物用商用和备用集中狄塞尔电厂的供电方式转换成商用和中小质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能光伏发电、风力发电等分布式电源网络

15、备用供电的灵活供电系统，大大提高建筑物的智能化、节能水平和环境效果。 2.1、2.3磷酸燃料电池(PAFC) 2.3.1磷酸燃料电池的工作原理磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC )是以浓磷酸为电解质、以贵金属催化的瓦斯气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。 我可以在150220工作。 具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气低、阳极催化剂不易被CO毒害等优点，是接近商品化的民用燃料电池。 燃料瓦斯气体和城市瓦斯气体添加水蒸气输送至重整器，将燃料变为H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在转移反应器中将催化剂变为H2和CO2。 这样处理后的燃料瓦斯气体进

16、入燃料栈内存的负极(燃料极)，在云同步中将氧输送到燃料栈内存的正极(空气极)进行化学反应，通过催化剂的作用迅速产生电能和热能。 阳极反应： H2 2e- 2H阴极反应：1/2O2 2H H2O 2e-总反应：1/2O2 H2 H2O，2.2、电池主体(即单电池)的输出电压在无负载状态下为1V左右。 为了提高电流密度，通常额定电流为0.7 v/6.0。 无负荷状态和实际电压的差作为热能释放出来。 此外，由于电池主体的发电效率不受电池面积所左右，所以即使燃料电池本质上容量小，也是有效的。 实际使用的是根据输出的需要，将数十个到数百个电池主体串联连接而成的栈内存。2.3、2.3.2.1磷酸燃料电池的

17、特点2.3.2.1磷酸燃料电池的特征排气净化燃料不燃烧、发电，因此几乎没有NOX、SOX。 空气污染物参照图：2.4，在发电效率高的现有内燃机的发电装置中，燃烧燃料，驱动透平机等机械能，将发电机转换为电能，能量损失大。 但是，在燃料电池发电中，由于将燃料的化学能直接转换为电能，因此能量转化损失少。 结果表明，发电效率远远高于传统发电，2.5、低噪声、低振动不伴随旋转机械的发电方式，因此以低噪声、低振动运行。 如噪音比较图所示，2.6，2.3.3磷酸燃料电池作为中低温型(工作温度180-210 )燃料电池应用PAFC，发电效率高，清洁适合多种燃料，无噪音，运行费用低，设置场所限制少，大气压强运行

18、容易操作，安全性优异的双曲正切值。 PAFC发电站使用的是分布式发电所，容量在10-20MW之间，配电所设置的情况下的中心发电站型发电站，容量在100MW以上，可以实现中等规模热电站。 PAFC发电站与一般发电站相比，采用了具有即使在发电负荷低的情况下也能维持高发电效率的优点的模块构造，所以现场的设置简单，能够节约时间，发电站的扩展容易。 2.7、2.4熔融碳酸燃料电池(MCFC )的工作温度达到650。 这种电池效率很高，但对材料的需求也很高。 熔化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池有很大不同，该电池不是使用熔化的锂钾元素碳酸盐，而是使用锂钠金属钍碳酸盐作为电解质。 温度达到650时，该盐熔化产生碳酸络离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳、电子。 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-h2h2o2e-阴极反应： CO2 1/2 O2 2e-