燃料電池知識(shí)介紹.ppt
第七章 燃料電池,Fuel cell,早在年,英國(guó)科學(xué)家威廉格羅夫就提出了氫氧燃料電池的原理。,一、 前言,1960s,美國(guó)阿波羅宇宙飛船上開(kāi)始使用堿性燃料電池。,燃料電池的優(yōu)點(diǎn),將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化,可以避免中間的轉(zhuǎn)換損失,達(dá)到很高的發(fā)電效率。 燃料電池構(gòu)造簡(jiǎn)單,噪音小。 理論上,應(yīng)用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,而內(nèi)燃機(jī)只能達(dá)到。,燃料電池汽車的發(fā)展與現(xiàn)狀,1993年,加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司,P.158 163,二、燃料電池的分類,(1)堿性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell, AFC),(2)質(zhì)子交換膜燃料電池 (Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC),(3)磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC),(4)熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC),(5)固體氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC),(一)根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的不同,(二)根據(jù)操作溫度來(lái)分類,(1)低溫型 PEMFC(80-100 oC) AFC(60-220 oC) PAFC(180-200 oC) (2)中溫型 MCFC(650 oC) (3)高溫型 SOFC(1200 oC),三、不同燃料電池的工作原理,(1)堿性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell, AFC),陽(yáng)極反應(yīng) 2H2+4OH-4H2O+4e- 陰極反應(yīng) 4e-+O2+2H2O 4OH- 總反應(yīng) 2H2+O2 2H2O,陽(yáng)極燃料:純氫,陽(yáng)極:碳載的Pt、Pd、Ni 陰極:碳載的Pt、Ag,電解質(zhì):35-50%KOH溶液,可使用非貴金屬為電極催化劑,例如銀、鎳等 操作時(shí)所需溫度較低,為100 oC-250 oC 化學(xué)反應(yīng)快且轉(zhuǎn)化效率高,堿性染料電池的優(yōu)點(diǎn):,堿性染料電池的缺點(diǎn):,電解質(zhì)腐蝕嚴(yán)重,壽命較短 燃料必須是高純度的氫 堿性燃料電池的電解質(zhì),易與空氣中的二氧化碳結(jié)合形成碳酸鉀,影響電解質(zhì)的品質(zhì),導(dǎo)致發(fā)電性能衰退,要使用純氧做氧化劑,(2)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),氫的陽(yáng)極氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的陰極還原:Pt O2 + 4H+ + 4e- 2H2O,陽(yáng)極燃料:氫氣或甲醇,電解質(zhì):磺酸型質(zhì)子傳導(dǎo)膜,陽(yáng)極:碳載Pt 陰極:碳載Pt,質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(diǎn),易組裝、高功率、低重量、低體積 電解質(zhì)為離子交換膜,無(wú)腐蝕,薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑(大部分為金屬鉑) 唯一液體是水,腐蝕小 操作溫度低,介于80-100,比較安全,且可室溫快速啟動(dòng) 適用于交通工具、便攜設(shè)備、建筑物與小型社區(qū),質(zhì)子交換膜燃料電池的缺點(diǎn),催化劑鉑價(jià)格昂貴,減少使用量,操作溫度會(huì)提升 鉑容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象 固體電解質(zhì)昂貴,單電池組裝前,氫氣端 bipolar plate,氧氣端 bipolar plate,MEA夾于其間,單電池 (Single Cell),進(jìn)氣流道,車載的甲醇重整制氫裝置,Fe2O3或CuO,Ni,Selective oxidation,Au,H2, CO2, N2 (10 ppm CO),DMFC,陽(yáng)極(PtRu/C):CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-,甲醇燃料電池,這種燃料電池以甲醇為能量來(lái)源,手機(jī),筆記本電腦將不再用充電。,(3)磷酸燃料電池(PAFC),陽(yáng)極燃料:氫氣或天然氣重整富 氫氣體,氫的陽(yáng)極氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的陰極還原:Pt O2 + 4H+ + 4e- 2H2O,電解質(zhì):磷酸,陽(yáng)極:碳載Pt 陰極:碳載Pt,磷酸燃料電池的優(yōu)點(diǎn),用于大型發(fā)電機(jī)組上,已經(jīng)商業(yè)化 操作溫度較低,介于150-220,磷酸燃料電池的缺點(diǎn),催化劑鉑價(jià)格昂貴 Pt容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象 酸性電解液具有腐蝕作用,壽命小于40000小時(shí),(4)熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC),陽(yáng)極燃料:氫氣、煤氣、天然氣 或沼氣,陰 極: O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32- 陽(yáng) 極: 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e 總反應(yīng): O2 2H2 2H2O,電解質(zhì):52%碳酸鋰和48%碳酸鉀 的混合鹽,陽(yáng)極:多孔鎳 陰極:鋰鎳氧化物,CO,CO,CO,30 KW電池系統(tǒng)流程圖,熔融碳酸鹽燃料電池的優(yōu)點(diǎn),電解質(zhì)為碳酸鋰和碳酸鉀的低熔點(diǎn)混合物,性質(zhì)穩(wěn)定 陽(yáng)極使用透氣性的多孔鎳,廉價(jià) 燃料多樣化,可使用煤氣、天然氣或沼氣(加重整器) 可回收利用廢熱,發(fā)電效率高,適合于集中型發(fā)電廠 電池價(jià)格低,熔融碳酸鹽燃料電池的缺點(diǎn),操作溫度為600-700 oC,易導(dǎo)致電極腐蝕,(5)固體氧化物燃料電池 (SOFC),陽(yáng)極燃料:氫氣、煤氣、天然氣、沼氣,陽(yáng)極材料:Ni-YSZ金屬陶瓷,陰極材料:參雜的LaMnO3或LaCoO3,電解質(zhì)為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯,電解質(zhì):固體陶瓷(YSZ),固體氧化物燃料電池的優(yōu)點(diǎn),使用全固體組件,不存在對(duì)漏液、腐蝕的管理問(wèn)題 廢熱可回收利用 適用于中等規(guī)模發(fā)電機(jī)組 可忍受較多的硫化物 不受CO影響,燃料范圍廣,包括H2,CO、天然氣、煤氣,碳?xì)浠衔?、NH3、H2S 電池價(jià)格低,固體氧化物燃料電池的缺點(diǎn),操作溫度約1000 oC,電池啟動(dòng)慢,需要保溫設(shè)備 不適用于交通工具和隨身攜帶,P170,四、汽車使用燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn),(1)優(yōu)點(diǎn)(P171) 能量轉(zhuǎn)換效率高(內(nèi)燃機(jī)汽車:11%;燃料電池40-70%),節(jié)能效果顯著 低污染(NOx、HC、SOx、微粒) 性能接近內(nèi)燃機(jī)汽車 過(guò)載能力強(qiáng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn) 燃料來(lái)源豐富,缺點(diǎn): 質(zhì)子交換膜燃料電池的原料單一 要求高質(zhì)量的密封 比功率還有待提高 催化劑成本高 需配備輔助電池系統(tǒng) 啟動(dòng)性能較差 加氫站網(wǎng)絡(luò)投資大 行駛里程需進(jìn)一步提升,課后習(xí)題,哪一種燃料電池必須使用純氧作為陰極的氧化劑? 簡(jiǎn)述五種燃料電池的電解質(zhì)分別是什么?陰極和陽(yáng)極之間傳輸?shù)碾x子分別是什么? 簡(jiǎn)述質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理。,