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。,