第七章_燃料电池

1、第七章第七章 燃料电池燃料电池Fuel cellv早在年，英国科学家威廉格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。一、一、 前言前言 1960s，美国阿波罗宇宙飞船上开始使用碱性燃料电池。燃料电池的优点燃料电池的优点v将化学能直接转化为电能。它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换损失，达到很高的发电效率。v燃料电池构造简单，噪音小。v理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的转化为动能，而内燃机只能达到。12TT-1卡燃料电池汽车的发展与现状v1993年，加拿大巴拉德动力系统公司P.158 163二、燃料电池的分类二、燃料电池的分类（5）固体氧化物燃

2、料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）（一）根据燃料电池电解质的不同（一）根据燃料电池电解质的不同 （二）根据操作温度来分类（二）根据操作温度来分类（1）低温型PEMFC(80-100oC)AFC(60-220oC)PAFC(180-200oC)（2）中温型MCFC(650oC)（3）高温型SOFC(1200oC)三、不同燃料电池的工作原理三、不同燃料电池的工作原理阳极反应2H2+4OH-4H2O+4e-阴极反应4e-+O2+2H2O4OH-总反应2H2+O22H2O阳极燃料：纯氢阳极燃料：纯氢阳极：碳载的Pt、Pd、Ni阴极：碳载的Pt、Ag电解质：电解质：35-50%KO

3、H溶液溶液v可使用非贵金属为电极催化剂，例如银、镍等v操作时所需温度较低，为100 oC-250 oCv化学反应快且转化效率高碱性染料电池的优点：碱性染料电池的优点：碱性染料电池的缺点：碱性染料电池的缺点：v电解质腐蚀严重，寿命较短v燃料必须是高纯度的氢v碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成碳酸钾，影响电解质的品质，导致发电性能衰退,要使用纯氧做氧化剂 氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O阳极燃料：氢气或甲醇阳极燃料：氢气或甲醇电解质：磺酸型质子传导膜电解质：磺酸型质子传导膜阳极：碳载Pt阴极：碳载Ptv易组装、高功率、

4、低重量、低体积v电解质为离子交换膜，无腐蚀，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（大部分为金属铂）v唯一液体是水，腐蚀小v操作温度低，介于80-100，比较安全，且可室温快速启动v适用于交通工具、便携设备、建筑物与小型社区v催化剂铂价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升v铂容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v固体电解质昂贵车载的甲醇重整制氢装置车载的甲醇重整制氢装置Fe2O3或CuO22223NCOCOHAirOHOHCHNiSelectiveoxidationAuH2,CO2,N2(10ppmCO)DMFC阳极（PtRu/C）：CH3OH+H2OCO2+6H+6e-阴极（Pt/C）：3/2O2+6

5、H+6e-3H2O甲醇燃料电池这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。阳极燃料：氢气或天然气重整富阳极燃料：氢气或天然气重整富 氢气体氢气体氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O电解质：磷酸电解质：磷酸阳极：碳载Pt阴极：碳载Ptv用于大型发电机组上，已经商业化v操作温度较低，介于150-220v催化剂铂价格昂贵vPt容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v酸性电解液具有腐蚀作用，寿命小于40000小时阳极燃料：氢气、煤气、天然气阳极燃料：氢气、煤气、天然气 或沼气或沼气阴 极： O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32

6、-阳 极： 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e总反应： O2 2H2 2H2O电解质：电解质：52%碳酸锂和碳酸锂和48%碳酸钾碳酸钾 的混合盐的混合盐阳极：多孔镍阴极：锂镍氧化物COCOCO30 KW电池系统流程图电池系统流程图v电解质为碳酸锂和碳酸钾的低熔点混合物，性质稳定v阳极使用透气性的多孔镍，廉价v燃料多样化，可使用煤气、天然气或沼气（加重整器）v可回收利用废热，发电效率高，适合于集中型发电厂v电池价格低v操作温度为600-700oC，易导致电极腐蚀阳极燃料：氢气、煤气、天然气、阳极燃料：氢气、煤气、天然气、沼气沼气阳极材料：Ni-YSZ金属陶瓷阴极材料：参杂的LaM

7、nO3或LaCoO3电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质：固体陶瓷（电解质：固体陶瓷（YSZ）v使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题v废热可回收利用v适用于中等规模发电机组v可忍受较多的硫化物v不受CO影响，燃料范围广，包括H2，CO、天然气、煤气，碳氢化合物、NH3、H2Sv电池价格低v操作温度约1000oC，电池启动慢，需要保温设备v不适用于交通工具和随身携带 低温燃料电池低温燃料电池（60220) 中温型中温型 高温型高温型650 oC 1000 oC类型类型 AFC碱性燃料电池 PEMFC质子交换或固体聚合物燃料电池PAFC磷酸燃料电池 MCFC熔融碳酸燃

8、料电池 SOFC固态氧燃料电池 特性特性 无污染,电效率高制造费用非常贵,不适合于工业应用少维护污染排放在很低的水平,低噪音,固体电解质适合于大规模生产,与常规技术相比很贵低污染, 低噪音,是热电联产电厂的三倍费用, 随着连续运行电效率降低有效利用能源, 低噪音,没有外部气体配置, 腐蚀性电解液有效利用能源, 低噪音, 没有外部气体配置,腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体电解体氢氧化钾溶液 质子交换膜 磷酸 碳酸锂和碳酸钾 固体陶瓷体 燃料燃料纯氢 氢，甲醇 天然气，氢 天然气煤气沼气 天然气煤气沼气 氧化剂氧化剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 系统的电效率系统的电效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% P170四、汽车使用燃料电池的优缺点（1）优点（P171）v能量转换效率高（内燃机汽车：11%；燃料电池40-70%），节能效果显著v低污染（NOx、HC、SOx、微粒）v性能接近内燃机汽车v过载能力强v结构简单、运行平稳v燃料来源丰富缺点：v质子交换膜燃料电池的原料单一v要求高质量的密封