燃料电池讲解：PPT课件

1、燃料电池介绍燃料电池介绍 一、燃料电池燃料电池 二、二、 一、燃料电池一、燃料电池 燃料电池（燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化），是一种使用燃料进行化 学反应产生电力的装置，最早于学反应产生电力的装置，最早于1839年年由英国的由英国的 Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换 膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无 化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热， 20世纪世纪60年代年代应用在美国军方，后于应用在美国军方，后于1965年年应用应

2、用 于美国双子星座于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电号飞船。现在也有一些笔记型电 脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太 小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供 电上。电上。 德国海军新一代燃料电池潜艇服役德国海军新一代燃料电池潜艇服役 这艘这艘212型潜艇是世界上最现代化的常规潜艇。潜艇采用的型潜艇是世界上最现代化的常规潜艇。潜艇采用的 燃料电池推进系统可使潜燃料电池推进系统可使潜 艇保持更长的潜航时间，更不容艇保持更长的潜航时间，更不容 易被敌人探测到。易被敌人探测到。 甲醇燃料電池，燃料

3、電池的层狀結构 燃料电池其原理是一种燃料电池其原理是一种电化学电化学装置，其组成与一般电池相装置，其组成与一般电池相 同。其单体电池是由正负两个电极同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正负极即燃料电极和正 极即氧化剂电极极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的以及电解质组成。不同的是一般电池的 活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃 料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换 元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的元件。因此燃料电池是名符其实

4、的把化学能转化为电能的 能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给， 进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排 除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为氧燃料电池为 例来说明燃料电池例来说明燃料电池 氢氢-氧燃料电池反应原理氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。这个反映是电觧水的逆过程。 电极应为：电极应为： 负极：负极：H2 +2OH-2H2O +2e- 正极：正极：1/2O2 +H2O+ 2e-2OH- 电池反应：电池反应

5、：H2 +1/2O2=H2O 燃料电池车型能源来自于燃料电池堆，燃料电池车型能源来自于燃料电池堆， 而燃料电池堆可看做是一个小型发电而燃料电池堆可看做是一个小型发电 站，能够持续产生能源站，能够持续产生能源 燃料电池燃料电池的优势的优势 1，洁净、安全的发电装置，洁净、安全的发电装置 从发电厂、工厂，以及汽车等排出的大量各种物从发电厂、工厂，以及汽车等排出的大量各种物 质是造成大气污染和地球温暖化的主要原因。而质是造成大气污染和地球温暖化的主要原因。而 燃料电池可以替代这些正在使用的锅炉和内燃机燃料电池可以替代这些正在使用的锅炉和内燃机 等。等。 2，多燃料系统，多燃料系统 在地球上，氢绝大多

6、数是以化合物的形式存在。在地球上，氢绝大多数是以化合物的形式存在。 比如：氢氧化合物（水）和碳氢化合物。可以作比如：氢氧化合物（水）和碳氢化合物。可以作 为燃料电池原料使用的碳氢化合物主要来源于天为燃料电池原料使用的碳氢化合物主要来源于天 然气、液化气、石油和煤炭等化石燃料。可根据然气、液化气、石油和煤炭等化石燃料。可根据 各种燃料电池的用途和条件选择使用最合适的燃各种燃料电池的用途和条件选择使用最合适的燃 料。料。 3，高效率的发电装置，高效率的发电装置 4，分散型的发电装置，分散型的发电装置 规模最大的可以替代火力发电或核能发电，用于规模最大的可以替代火力发电或核能发电，用于 商业发电。不

7、需要庞大的设备，不需要变送电系商业发电。不需要庞大的设备，不需要变送电系 统；与核能相比，发生事故的危险性较小。可以统；与核能相比，发生事故的危险性较小。可以 建在大城市的近郊。规模稍小的可以建在住宅小建在大城市的近郊。规模稍小的可以建在住宅小 区、办公楼、厂区甚至城市的中心地带。可以减区、办公楼、厂区甚至城市的中心地带。可以减 少因长距离输送电力而产生的损耗。面向个人用少因长距离输送电力而产生的损耗。面向个人用 途的超小型燃料电池可以作为笔记本途的超小型燃料电池可以作为笔记本电脑电脑和移动和移动 便携电话的便携电话的电源电源。 燃料电池的类型燃料电池的类型 碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC

8、）采用氢氧化钾溶液作采用氢氧化钾溶液作 为为电解电解液。液。 质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的采用极薄的 塑料薄膜作为其电解质。塑料薄膜作为其电解质。 磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（PAFC）采用采用200高温下的高温下的 磷酸作为其电解质。磷酸作为其电解质。 熔融碳酸燃料电池（熔融碳酸燃料电池（MCFC） 固态氧燃料电池（固态氧燃料电池（SOFC）采用固态电解质采用固态电解质 中国发展状况中国发展状况 在中国的燃料电池研究始于在中国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业年，原电子工业 部部天津天津电源研究所最早开展了电源研究所最早开展了MCFC的研究。的研究。7

9、0 年代在年代在航天航天事业的推动下，中国燃料电池的研究事业的推动下，中国燃料电池的研究 曾呈现出第一次高潮。其间曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院中国科学院大连化学大连化学 物理研究所研制成功的两种类型的碱性物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉石棉膜型膜型 氢氧燃料电池系统（千瓦级氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行）均通过了例行 的航天的航天环境模拟试验环境模拟试验。1990年年中国科学院长春应中国科学院长春应 用化学研究所用化学研究所承担了中科院承担了中科院PEMFC的研究任务，的研究任务， 1993年开始进行直接年开始进行直接甲醇甲醇质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 （D

10、MFC）的研究。电力工业部）的研究。电力工业部哈尔滨哈尔滨电站成套设电站成套设 备研究所于备研究所于1991年研制出由年研制出由7个单电池组成的个单电池组成的 MCFC原理性电池原理性电池 但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金 数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与 发达国家发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对尚有较大差距。我国有关部门和专家对 燃料电池十分重视，燃料电池十分重视，1996年和年和1998年两次在年两次在香山香山 科学会议科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专上对中国燃料电池

11、技术的发展进行了专 题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的 重要性和必要性。近几年中国加强了在重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方方 面的研究力度面的研究力度 国际发展状况国际发展状况 在在北美北美、日本和欧洲，燃料电池发电正、日本和欧洲，燃料电池发电正 以奋起直追的势头快步进入工业化规模以奋起直追的势头快步进入工业化规模 应用的阶段，将成为应用的阶段，将成为21世纪继世纪继火电火电、水、水 电、电、核电核电后的第四代发电方式。燃料电后的第四代发电方式。燃料电 池技术在国外的迅猛发展必须引起我们池技术在国外的迅猛发展必须引起我们 的足够重

12、视，现在它已是能源、电力行的足够重视，现在它已是能源、电力行 业不得不正视的课题。业不得不正视的课题。 经济性经济性 燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投 资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和 两种两种能源转换能源转换装置的效率考虑在内。如此来计算综合投资装置的效率考虑在内。如此来计算综合投资 大型的火电厂每千瓦约为大型的火电厂每千瓦约为1.31.5万元。发电消耗的燃料万元。发电消耗的燃料 为燃料电池的两倍以上，按目前在中国天然气最低市价为燃料电池的两倍以上，按目前在中国

13、天然气最低市价 （产地市价人民币（产地市价人民币1元元/m3）计算，当发电时间超过）计算，当发电时间超过 70000h以后，用燃料电池发电将比用传统的热机发电更以后，用燃料电池发电将比用传统的热机发电更 经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面 积大，环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断积大，环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断 完善，造价将不断的降低，特别是在规模化生产后，其造完善，造价将不断的降低，特别是在规模化生产后，其造 价将大幅度的下降，有理由相信，不久的将来这种发电方价将大幅度的下降，有理由相信，不久的将来

14、这种发电方 式会对传统热机发电构成挑战。式会对传统热机发电构成挑战。 二、二、 一、制作氢氧燃料电池的设想一、制作氢氧燃料电池的设想 燃料电池是一种新型的化学电源，燃料电池是一种新型的化学电源， 是现在最引人注目的能源装置之一，是是现在最引人注目的能源装置之一，是 高中化学教材新增添的学习内容。但教高中化学教材新增添的学习内容。但教 材没有安排燃料电池的演示实验和学生材没有安排燃料电池的演示实验和学生 实验。因此我们就想自己研制燃料电池。实验。因此我们就想自己研制燃料电池。 我们首先查阅了大量的有关燃料电池的我们首先查阅了大量的有关燃料电池的 资料，做了大量的实验，通过不断改进，资料，做了大量

15、的实验，通过不断改进， 最终研制出了一种不需用贵重金属的简最终研制出了一种不需用贵重金属的简 易氢氧燃料电池。易氢氧燃料电池。 二、燃料电池的定义二、燃料电池的定义 燃料电池是一种能够持续的燃料电池是一种能够持续的 通过发生在正极和负极的氧化还通过发生在正极和负极的氧化还 原反应将化学能转化为电能的能原反应将化学能转化为电能的能 量转换装置。燃料电池与常规电量转换装置。燃料电池与常规电 池的区别在于，它工作时需要连池的区别在于，它工作时需要连 续不断地向电池内输入燃料和氧续不断地向电池内输入燃料和氧 化剂，只要持续供应，燃料电池化剂，只要持续供应，燃料电池 就会不断提供电能。就会不断提供电能。

16、 三、燃料电池的工作原理三、燃料电池的工作原理 燃料电池由正极、燃料电池由正极、 负极和离子导电的电负极和离子导电的电 解质构成，其工作原解质构成，其工作原 理与普通电化学电池理与普通电化学电池 类似，燃料在负极氧类似，燃料在负极氧 化，氧化剂在正极还化，氧化剂在正极还 原，电子从负极通过原，电子从负极通过 负载流向正极构成电负载流向正极构成电 回路，产生电流。回路，产生电流。 燃料燃料氧化剂氧化剂 负极负极 正极正极 电电 解解 质质 导电离子导电离子 四、氢氧燃料电池的工作原理四、氢氧燃料电池的工作原理 2e-2e- 氢气氢气 H2O H H + + OH OH - - A 氧气氧气 负极

17、负极 正极正极 五、氢氧燃料电池的装置五、氢氧燃料电池的装置 石墨电极石墨电极 Na2SO4 溶液溶液 电解槽电解槽 石墨电极均为普通石墨电极均为普通1 1号干电池的碳棒号干电池的碳棒, , 电电 解槽为化学实验室盛装石蕊试纸的塑料盒。解槽为化学实验室盛装石蕊试纸的塑料盒。 六、通直流电制取氢气和氧气六、通直流电制取氢气和氧气 石墨电极石墨电极 Na2SO4 溶液溶液 电解槽电解槽 给电池通给电池通14V14V直流电至两个电极上吸附直流电至两个电极上吸附 着较多气泡为止着较多气泡为止。 （阳极）（阳极）4OH- 4e- = O2 + 2H2O （阴极）（阴极）4H+4e- = 2H2 七、氢氧

18、燃料电池带动小电器七、氢氧燃料电池带动小电器 石墨电极石墨电极 Na2SO4 溶液溶液 电解槽电解槽 电池中附有氢气的碳棒为负极，附电池中附有氢气的碳棒为负极，附有氧有氧 气的碳棒为正极气的碳棒为正极。 电子钟电子钟 可走数十可走数十 分钟分钟 （+）O2+ 4e- + 4H+= 2H2O （-）2H2-4e- + 4OH- = 4H2O 石墨电极石墨电极 Na2SO4 溶液溶液 电解槽电解槽 电池中附有氧气的碳棒为正极，附电池中附有氧气的碳棒为正极，附有氧有氧 气的碳棒为正极气的碳棒为正极。 电子贺卡电子贺卡 贺卡发出红光贺卡发出红光 和音乐声音和音乐声音 七、氢氧燃料电池带动小电器七、氢氧燃料电池带动小电器 八、该氢氧燃料电池的优点八、该氢氧燃料电池的优点 装置美观，材