磷酸燃料电池课件

1、LOGO燃料电池燃料电池(PAFC)中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 氢能被提上人类未来能源的议程是大势所趋。众氢能被提上人类未来能源的议程是大势所趋。众所周知，当今世界，为了解决能源短缺、环境污染日所周知，当今世界，为了解决能源短缺、环境污染日益严重和经济持续发展等问题，洁净的新能源和可再益严重和经济持续发展等问题，洁净的新能源和可再生能源的开发已是迫在眉睫。对我国来说，交通运输生能源的开发已是迫在眉睫。对我国来说，交通运输的能耗所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染的能耗所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染已经成为大气污染特别是城市大气污

2、染的最重要因素已经成为大气污染特别是城市大气污染的最重要因素。 中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 由此可以看出，寻找新的洁净能源无论对整个世界还是对由此可以看出，寻找新的洁净能源无论对整个世界还是对我国的可持续发展都有着特别重要的意义。我国的可持续发展都有着特别重要的意义。 氢能作为一种洁净的可再生能源，同时又具有可储可输的特氢能作为一种洁净的可再生能源，同时又具有可储可输的特点，从长远上看，它的发展可能带来能源结构的重大改变，而点，从长远上看，它的发展可能带来能源结构的重大改变，而在目前它是一种理想的低污染或零污染的车用能源，国际上公在目前它是一

3、种理想的低污染或零污染的车用能源，国际上公认在不远的将来氢燃料汽车将是解决城市大气污染的最重要途认在不远的将来氢燃料汽车将是解决城市大气污染的最重要途径之一。因此，氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而径之一。因此，氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象便是情理之中的事了。成为各国大力研究的对象便是情理之中的事了。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢能开发，大势所趋氢能开发，大势所趋X 氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽尽不存在枯竭问题不存在枯竭问题X氢的热值高，燃烧产物是水氢的热值高

4、，燃烧产物是水零排放，无污染零排放，无污染 ，可循，可循环利用环利用X氢能的利用途径多氢能的利用途径多燃烧放热或电化学发电燃烧放热或电化学发电X氢的储运方式多氢的储运方式多气体、液体、固体或化合物气体、液体、固体或化合物中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢气利用与燃料电池氢气利用与燃料电池v氢像电一样可以从任何能源中得到，包括可再氢像电一样可以从任何能源中得到，包括可再生的能源；氢可以由电获得并以生的能源；氢可以由电获得并以相对高的效率相对高的效率转换成电，一些由太阳能直接得到氢的技术已经转换成电，一些由太阳能直接得到氢的技术已经成功；获取氢的成功；

5、获取氢的原材料是水原材料是水，资源丰富，由于，资源丰富，由于氢使用后的产物是纯水或水蒸气，因此氢是氢使用后的产物是纯水或水蒸气，因此氢是完全完全可再生的可再生的燃料；氢可以以气态（便于大规模储燃料；氢可以以气态（便于大规模储存）、液态（便于航空航天应用）或以金属氢化存）、液态（便于航空航天应用）或以金属氢化物（便于机动车和别的相对小的规模储量需求）物（便于机动车和别的相对小的规模储量需求）形式形式储存储存；氢能够借助于管道和钢瓶进行长距；氢能够借助于管道和钢瓶进行长距离离运输运输（大多数情况下比电更经济和有效）；（大多数情况下比电更经济和有效）；氢可通过氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物催化

6、燃烧、电化学转换和氢化物，比任，比任何其他燃料有更多的方法和更高的效率转换成为何其他燃料有更多的方法和更高的效率转换成为其他形式的能源；氢是对其他形式的能源；氢是对环境无害环境无害的能源。的能源。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 氢能氢能“喝喝”氢的汽车氢的汽车中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 燃料电池的概念是由蒙德燃料电池的概念是由蒙德(Mond)

7、和莱格和莱格(Langer)于于1889年年首先提出首先提出来的。就在这时内燃机问世了，内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣来的。就在这时内燃机问世了，内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣推迟了推迟了60年。年。 1959年年培根研制成功氢氧燃料电池培根研制成功氢氧燃料电池，他对燃料电池的研究工作，奠，他对燃料电池的研究工作，奠定了燃料电池发展的基础。定了燃料电池发展的基础。20世纪世纪60年代，随着航天技术的发展，美国年代，随着航天技术的发展，美国对培根氢氧燃料电池进行了改进，并分别于对培根氢氧燃料电池进行了改进，并分别于1965年和年和1966年成功的将其年成功的将其应用于应用于双子星座和阿波

8、罗飞船双子星座和阿波罗飞船上，为其提供电力。上，为其提供电力。20世纪世纪70年代，因中东战争导致两次世界性石油危机，年代，因中东战争导致两次世界性石油危机，80年代美国、年代美国、加拿大、日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃加拿大、日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃料电池，在料电池，在90年代燃料电池年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破，佳能、松下、实现燃料技术上的真正突破，佳能、松下、三星、东芝都发布了自己的产品，燃料电池进入了应用阶段。三星、东芝都发布了自己的产品，燃料电池进入了应用阶段。燃料电池燃料电池中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工

9、程学院中南大学冶金科学与工程学院由于它是把由于它是把燃料通过化燃料通过化学反应释出的能量变为学反应释出的能量变为电能输出电能输出，所以被称为，所以被称为燃料电池。燃料电池。它是它是利用氢利用氢和氧生成水和氧生成水的过程来产的过程来产生电力的一种装置。生电力的一种装置。 燃料电池：燃料电池：被称为被称为连续电池连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能。燃料电池在反应过程中不涉及燃烧，能量交换效率不受中的化学能转变为电能。燃料电池在反应过程中不涉及燃烧，能量交换效率不受卡诺循环的限制。卡诺循环的限制。工作原理工作原理: 通过物质发

10、生化学反应时连续地向其供给通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质活物质(起反应的物质起反应的物质)-燃料和氧化剂燃料和氧化剂, 促使物质发促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。解质板所组成。工作时向负极供给燃料工作时向负极供给燃料(氢氢H2)，向正极供给氧化剂，向正极供给氧化剂(

11、空空气气O2)。氢在负极分解成正离氢在负极分解成正离子子H+和电子和电子e-。氢离子进入氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在就接在外部电路中。在正极正极上上，空气中的氧同电解液中，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。解反应的逆过程。燃料电池的用途燃料电池的用途: : 电动车交通工具（动力车及军电动车交通工具（动力车及军舰等）舰等）, ,便携式电源、发电厂及工作电站等便携式电源、发电厂及工作电站等中南大学冶金科学

12、与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的应用燃料电池的应用1、军事上的应用v 军事应用应该是燃料电池最主要，也是最适合的市场军事应用应该是燃料电池最主要，也是最适合的市场。高效，多面性，。高效，多面性，使用时间长，以及宁静的工作，这些特点极适合于军事工作对电力的使用时间长，以及宁静的工作，这些特点极适合于军事工作对电力的需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移需要。燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。动手提装备到海陆运输提供动力。v 在军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其在

13、军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其增长的使用时间增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。v 同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以更长的时间。这样，战地所需的支

14、持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。自显著的减少。自20世纪世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的深海探索的船只和无人潜艇船只和无人潜艇提供动力。提供动力。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院2、移动装置上的应用v 伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。源。微型燃料电池微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。比常规电池具有

15、得天独厚的优势。v 如果要使燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应如果要使燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数，目前大多数研究工作均集中在对要参数，目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提的改进。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提供的甲醇供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。水混合物为基础工作，不需要预先重整。v 使用甲

16、醇，直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充使用甲醇，直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料，不需要长时间地将电源插头插在外部电仅仅涉及重新添加液体燃料，不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。当前，这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所的供电电源上。当前，这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所需的需的白金催化剂白金催化剂的成本比较昂贵，其电力密度较低。如果这二个问题的成本比较昂贵，其电力密度较低。如果这二个问题能够解决，应该说没有什麽问题能阻挡它们的广泛应用了。目前，能够解决，应该说没有什麽问题能阻挡它们的广泛应用了。目前，美美国正在

17、试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话，而德国则在实验国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话，而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。以这种能源为动力的膝上型电脑。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3、居民家庭的应用v 对于固定应用而言，设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多对于固定应用而言，设计燃料电池的技术困难就简化得多了。尽管许多燃料电池能生产燃料电池能生产50 kW的电能，但绝大部分商业化的燃料电池目前都是的电能，但绝大部分商业化的燃料电池目前都是用于固定的。现在，许多迹象表明，燃料电池也可用语人们称做的居民用于固定的。现在，

18、许多迹象表明，燃料电池也可用语人们称做的居民应用（大都小于应用（大都小于50 kW）。）。v 低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能供小型的应用，美国，企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能供小型的应用，美国，日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大，然而后者的效率比前者高，膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大，然而后者的效率比前者高，且目前

19、的生产成本也比前者便宜。这些燃料电池应该能够为单个私人居且目前的生产成本也比前者便宜。这些燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源，通过设计可以满足居民对能源的所有要求，或户或几家居户提供能源，通过设计可以满足居民对能源的所有要求，或者是他们的基本负载，高峰时的需求由电力网提供。者是他们的基本负载，高峰时的需求由电力网提供。v 为了有利于该技术的应用，可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前，为了有利于该技术的应用，可以用天然气销售网作为氢燃料源。当前，许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉，这有助于进一步许多生产商预测在不久的将来便会出现其它燃料源泉，这有助于进一步降低排放，加速

20、燃料电池进入新的理想市场。新近进入固定燃料电池市降低排放，加速燃料电池进入新的理想市场。新近进入固定燃料电池市场的厂家是汽车大亨场的厂家是汽车大亨General Motors，她于，她于2001年年8月成功地开发月成功地开发了一种产品。了一种产品。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院4、空间领域的应用v 在在20世纪世纪50年代后期和年代后期和60年代初期，美国政府为了替其年代初期，美国政府为了替其载人航天飞行载人航天飞行寻找安寻找安全可靠的能源，对燃料电池的研究给于了极大的关心和资助，使燃料电池取得全可靠的能源，对燃料电池的研究给于了极大的关心和资助

21、，使燃料电池取得了长足的进步。了长足的进步。v 重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水重量轻，供电供热可靠，噪声轻，无震动，并能生产饮用水，所有这些优点均，所有这些优点均是其它能源不可比拟的。是其它能源不可比拟的。v General Electric生产的生产的Grubb-Niedrach燃料电池是燃料电池是NASA用来为其用来为其Gemini航天项目提供动力的第一个燃料电池，也是第一次商业化使用燃料电航天项目提供动力的第一个燃料电池，也是第一次商业化使用燃料电池。池。v 从从20世纪世纪60年代起，飞机制造商年代起，飞机制造商Pratt & Whitney赢得了为赢得了

22、为阿波罗项目阿波罗项目提提供燃料电池的合同。供燃料电池的合同。Pratt & Whitney生产的燃料电池是基于对生产的燃料电池是基于对Bacon专利专利的碱性燃料电池的改进，这种低温燃料电池是最有效的燃料电池。在阿波罗飞的碱性燃料电池的改进，这种低温燃料电池是最有效的燃料电池。在阿波罗飞船中，三组电池可产生船中，三组电池可产生1.5 kW或或2.2 kW电力，并行工作，可供飞船短期飞电力，并行工作，可供飞船短期飞行。每组电池重约行。每组电池重约114 kg，装填有低温氢和氧。在，装填有低温氢和氧。在18次飞行中，这种电池共次飞行中，这种电池共工作工作10，000小时，未发生一次飞行故

23、障。小时，未发生一次飞行故障。v 在在20世纪世纪80年代航天飞机开始飞行时，年代航天飞机开始飞行时，Pratt & Whitney的姊妹公司国际的姊妹公司国际燃料电池公司继续为燃料电池公司继续为NASA提供提供航天飞机使用的碱性燃料电池航天飞机使用的碱性燃料电池。飞船上所有的。飞船上所有的电力需求由电力需求由3组组12 kW的燃料电池存储器提供，勿需备用电池。国际燃料电池的燃料电池存储器提供，勿需备用电池。国际燃料电池公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波公司技术的进一步发展使每个飞船上使用的燃料电池存储器能提供约等于阿波罗飞船上同体积的燃料电池十倍的电

24、力。以低温氢和氧为燃料，这种电池的效罗飞船上同体积的燃料电池十倍的电力。以低温氢和氧为燃料，这种电池的效率为率为70%左右，在截至现在的左右，在截至现在的100多次飞行中，这种电池共工作了多次飞行中，这种电池共工作了80，000多个小时。多个小时。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院5、固定的应用v 目前，燃料电池开发得最完善的市场要数目前，燃料电池开发得最完善的市场要数热电的固定提供源市场热电的固定提供源市场。与传。与传统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有极大的统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具有极大的吸引力。

25、此外，燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖，或吸引力。此外，燃料电池技术的独立性对于那些国家电网不能覆盖，或国家电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源具有特殊国家电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源具有特殊的意义。鉴于这种电池的工作温度可低达的意义。鉴于这种电池的工作温度可低达80，它们可安装在私人家，它们可安装在私人家庭，小型的商业活动场所，甚至满足大型企业活动的所有能源需求。庭，小型的商业活动场所，甚至满足大型企业活动的所有能源需求。v 截至目前为止，可以说现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非居民截至目前为止，可以说现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非

26、居民的应用。当前唯一提供商业化燃料电池的的应用。当前唯一提供商业化燃料电池的国际燃料电池公司国际燃料电池公司已在学校、已在学校、办公室和银行设施安装了办公室和银行设施安装了200多个磷酸燃料电池多个磷酸燃料电池装置。在不久的将来，装置。在不久的将来，诸如溶化的碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也将诸如溶化的碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也将用于大型的工业设施和兆瓦级的发电厂。当工作温度上升到用于大型的工业设施和兆瓦级的发电厂。当工作温度上升到600-1100时，这种高温燃料电池可以耐受氢污染源，因此可以使用未加时，这种高温燃料电池可以耐受氢污染源，因此可以使用未

27、加重整的天然气，柴油，或汽油。此外，它们所产生的热能还可用来驱动重整的天然气，柴油，或汽油。此外，它们所产生的热能还可用来驱动增器蒸气气轮机再进行发电。增器蒸气气轮机再进行发电。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院6、运输上的应用v 以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源，在世界各个国家和以内燃机提供动力的汽车已成为有害气体排放的主要排放源，在世界各个国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，燃料电池地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。位于可为这种要求

28、带来实质的机遇。位于Alberta的的Pembina适当设计研究所指出：适当设计研究所指出：当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池，其二氧化碳的排放量可以当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池，其二氧化碳的排放量可以减少高达减少高达72%。，驱动车辆的燃料电池必须能迅速地达到工作温度，具有经济上。，驱动车辆的燃料电池必须能迅速地达到工作温度，具有经济上的优势，并能提供稳定的性能。的优势，并能提供稳定的性能。v 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池最有条件满足这些要求，其工作温度交低，最有条件满足这些要求，其工作温度交低，80左右，它们左右，它们能很快地达到所需的温度。由于能迅速

29、地适应各种不同的需求，与内燃机的效率能很快地达到所需的温度。由于能迅速地适应各种不同的需求，与内燃机的效率25%左右相比，它们的效率可高达左右相比，它们的效率可高达60%。v 现在，大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者，现在，大多数车辆生产商视质子交换膜燃料电池为内燃机的后继者，General Motors, Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Honda，以及其他许多公司都，以及其他许多公司都已生产出使用该技术的原型。运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利，用已生产出使用该技术的原型。运用不同车辆和使用不同地区的试验进展顺利，用质子交换膜燃料电池为

30、公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。质子交换膜燃料电池为公共汽车提供动力的试验已在温哥华和芝加哥取得成功。德国的城市也进行了类似的试验，明后二年（德国的城市也进行了类似的试验，明后二年（2002-2003），还有另外十个欧），还有另外十个欧洲城市也将在公共汽车上进行试验，伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进洲城市也将在公共汽车上进行试验，伦敦和加利福尼亚也将计划在小型车辆上进行试验。行试验。v 在生产商能够有效地，大规模地生产质子交换膜燃料电池之前，需要解决的主要在生产商能够有效地，大规模地生产质子交换膜燃料电池之前，需要解决的主要问题包括问题包括生产成本，燃料质量，以及电池的

31、体积生产成本，燃料质量，以及电池的体积。但愿技术的进一步发展和扩大。但愿技术的进一步发展和扩大生产的共同作用将会运用经济的规模性而降低生产成本。目前，人们也在对直接生产的共同作用将会运用经济的规模性而降低生产成本。目前，人们也在对直接使用甲醇为燃料和从环境空气中取得氧的另一解决方案进行研究，它也可以避免使用甲醇为燃料和从环境空气中取得氧的另一解决方案进行研究，它也可以避免燃料的重整过程。燃料的重整过程。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院v 燃料电池必须同时要燃料电池必须同时要满足以下功能满足以下功能：物质、能量平衡，：物质、能量平衡，从电池外部提供的

32、燃料和氧化剂（空气），在发电的同时从电池外部提供的燃料和氧化剂（空气），在发电的同时连续地排出生成水合二氧化碳等气体，即所谓的连续地排出生成水合二氧化碳等气体，即所谓的物质移动物质移动-供给功能供给功能；燃料电池的基本结构，为了防止易燃、易；燃料电池的基本结构，为了防止易燃、易爆有危险的燃料和氧化剂混合、泄露，应有爆有危险的燃料和氧化剂混合、泄露，应有分离、密封功分离、密封功能能，为了分离燃料和氧化剂两种物料，需要有隔离机能，为了分离燃料和氧化剂两种物料，需要有隔离机能，平板型、圆筒型电池和电堆的结构具有这种功能；电平板型、圆筒型电池和电堆的结构具有这种功能；电连连接接，各电池在低损失时应有连

33、接已发生电力的，各电池在低损失时应有连接已发生电力的输出功能输出功能和和燃料电池的燃料电池的直流电转变成交流电直流电转变成交流电的功能；的功能；热平衡热平衡，为了，为了保持燃料电池一定温度，需要具有温度控制和冷却功能以保持燃料电池一定温度，需要具有温度控制和冷却功能以及利用联合发电的排热功能；及利用联合发电的排热功能；适用的燃料适用的燃料，在燃料电池，在燃料电池的电极反应上，供给的燃料能变换成富氢气燃料的改质功的电极反应上，供给的燃料能变换成富氢气燃料的改质功能；能；最优化最优化，为使气态燃料和氧化剂发生很好的电极反，为使气态燃料和氧化剂发生很好的电极反应，电极应有一定功能。保持良好电池特性的

34、三相界面的应，电极应有一定功能。保持良好电池特性的三相界面的多孔质电极结构和催化剂、温度、压力影响以及电池内浓多孔质电极结构和催化剂、温度、压力影响以及电池内浓度变化和电池特性的最佳化。度变化和电池特性的最佳化。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的特点v 燃料电池的特点是燃料电池的特点是能量转换率高能量转换率高，它的能效达到，它的能效达到60%70%，远高于热机和发电机的效率；，远高于热机和发电机的效率；v 环境友好环境友好，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水；，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水；v 工作安静工作安静；方便使用；方便使用；v

35、 燃料电池发电系统由配置合理的电池组构成，可实现工厂燃料电池发电系统由配置合理的电池组构成，可实现工厂生产模块，生产模块，电站安装，更换方便电站安装，更换方便；v 适用性强适用性强，燃料电池的燃料多种多样，如氢气、煤气、天，燃料电池的燃料多种多样，如氢气、煤气、天然气、甲醇和汽油，燃料电池供电范围广，可根据需求建然气、甲醇和汽油，燃料电池供电范围广，可根据需求建立大中小型电站，也可以制成携带式电源。立大中小型电站，也可以制成携带式电源。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的类型v 目前燃料电池主要按电解质的性质划分为五大类：目前燃料电池主要按电

36、解质的性质划分为五大类：v 碱性燃料电池（碱性燃料电池（alkaline fuel cell ），简称），简称AFC；v 质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell），简称），简称PEMFC；v 磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（phosphorous acid fuel cell），），简称简称PAFC；v 熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell），简称），简称MCFC；v 固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（solid-oxide fuel cell），简），简称称SOFC

37、。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 燃料电池介绍 燃料电池类型碱性燃料电池磷酸燃料电池质子交换膜燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文简称AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC电解质氢氧化钾溶液磷酸质子渗透膜碳酸钾固体氧化物燃料纯氢天然气，氢氢，甲醇，天然气天然气，煤气，沼气天然气，煤气，沼气氧化剂纯氧空气空气空气空气效率/%609037424358505065使用温度/601201602206012060010006001000中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池是化学能直接转化成电能

38、的一种动力设备燃料电池的基本反应步骤：1:反应物向燃料电池内部传递2:电化学反应3:离子传导以及电子传导4:产物排出中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3.磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC） v PAFC是一种以是一种以磷酸为电解质磷酸为电解质的燃料电池。的燃料电池。PAFC采用重采用重整整天然气天然气作燃料，空气做氧化剂，浸有作燃料，空气做氧化剂，浸有浓磷酸的浓磷酸的SiC微孔微孔膜膜作电解质，作电解质，Pt/C作催化剂，工作温度作催化剂，工作温度200。PAFC产生的直流电经过直交变换后以交流电的形式供给用户。产生的直流电经过直交变换后以交

39、流电的形式供给用户。v PAFC是是目前单机发电量最大的一种燃料电池目前单机发电量最大的一种燃料电池。50200kW功率的功率的PAFC可供现场应用，可供现场应用，1000kW功功率以上的率以上的PAFC可应用于区域性电站。目前在美国、加拿可应用于区域性电站。目前在美国、加拿大、欧洲和日本建立的大于大、欧洲和日本建立的大于200kW的的PAFC的电站已运的电站已运行多年，行多年，4500kW和和11000kW的电站也开始运行。的电站也开始运行。v PAFC的主要技术突破是采用炭黑和石墨作电池的结构材的主要技术突破是采用炭黑和石墨作电池的结构材料。至今还未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的料

40、。至今还未发现除炭材外的任何一种材料不但具有高的电导，而且在酸性条件下具有高的抗腐蚀能力和低费用。电导，而且在酸性条件下具有高的抗腐蚀能力和低费用。因此可以说，采用非炭材、制备费用合理的酸性燃料电池因此可以说，采用非炭材、制备费用合理的酸性燃料电池是不可能的。是不可能的。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3.1 PAFC的工作原理的工作原理中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3.2 PAFC关键材料关键材料电催化剂电催化剂 PAFC

41、采用采用Pt/C电催化剂，其技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳电催化剂，其技术关键为在高比表面积的炭黑上担载纳米级高分散的米级高分散的Pt微晶。铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同微晶。铂源一般采用氯铂酸，按制备路线可分为两类不同方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散方法：一是先将氯铂酸转化为铂的络合物，再由铂的络合物制备高分散PtC催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高催化剂；二是从氯铂酸的水溶液出发，采用特定的方法制备纳米级高分散的分散的Pt/C电催化剂。电催化剂。 活性电催化剂铂是活性电催化剂铂是担载在碳材料上的担载在碳材料上的，碳

42、材料在，碳材料在PAFC工作条件下是相工作条件下是相对稳定的。作为电催化剂的担体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良对稳定的。作为电催化剂的担体，必须具有高的化学与电化学稳定性、良好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含量。在各种碳材好的电导、适宜的孔分布、高的比表面积以及低的杂质含量。在各种碳材料中，仅有无定形的炭黑具有上述性能。目前广泛使用的用作料中，仅有无定形的炭黑具有上述性能。目前广泛使用的用作Pt/C催化剂催化剂担体的炭黑是担体的炭黑是Cabot公司由石油生产的导电型电炉黑公司由石油生产的导电型电炉黑Vulcan XC-72。 为提高担体的抗腐蚀性能，可在惰性气氛下，高温处

43、理碳材料增加炭为提高担体的抗腐蚀性能，可在惰性气氛下，高温处理碳材料增加炭材长程有序度，如材长程有序度，如Vulcan XC-72经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。经过这种处理其抗腐蚀性大为改善。（1）电极材料）电极材料 电极材料包括载体材料和催化剂材料。催化剂附着于载体表面，载体材料要求导电性能好、比表面积高、耐腐蚀和低密度。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 在在PAFC的工作条件下，纳米级铂微晶电催化剂中铂的表面积的工作条件下，纳米级铂微晶电催化剂中铂的表面积会逐渐减小，除因磷酸电解质和空气中杂质和磷酸本身与阴离子会逐渐减小，除因磷酸电解质和空气

44、中杂质和磷酸本身与阴离子在铂表面吸附结块导致铂的有效活性表面积减少外，在铂表面吸附结块导致铂的有效活性表面积减少外，主要是由铂主要是由铂溶解再沉积和铂在炭载体表面迁移和再结晶引起的溶解再沉积和铂在炭载体表面迁移和再结晶引起的。另外，由。另外，由于铂微晶与炭载体之间的结合力很小，小的铂微晶可经炭表面迁于铂微晶与炭载体之间的结合力很小，小的铂微晶可经炭表面迁移、聚合，生成大的铂微晶导致移、聚合，生成大的铂微晶导致铂表面积下降。铂表面积下降。 为为防止因铂微晶的溶解和迁移、聚合导致铂表面积损失，人防止因铂微晶的溶解和迁移、聚合导致铂表面积损失，人们想办法将铂锚定在炭载体上们想办法将铂锚定在炭载体上。

45、一是用。一是用CO处理处理Pt/C催化剂，因催化剂，因CO裂解沉积在铂微晶周边的炭起锚定铂微晶的作用；二是引入裂解沉积在铂微晶周边的炭起锚定铂微晶的作用；二是引入合金元素与铂形成合金，增大铂与炭的结合力，同时增加波的电合金元素与铂形成合金，增大铂与炭的结合力，同时增加波的电催化活性。催化活性。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院（2）电解质材料 v PAFC的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，的电解质是浓磷酸溶液。磷酸在常温下导电性小，在在高温下高温下具有良好的离子导电性，所以具有良好的离子导电性，所以PAFC的工作温度的工作温度在在200左右

46、。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它左右。磷酸是无色、油状且有吸水性的液体，它在水溶液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为在水溶液中可离析出导电的氢离子。浓磷酸（质量分数为100%）的凝固点是）的凝固点是42，低于这个温度使用时，低于这个温度使用时，PAFC的电解质将发生固化。而电解质的固化会对电极产的电解质将发生固化。而电解质的固化会对电极产生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以生不可逆转的损伤，电池性能会下降。所以PAFC电池一电池一旦启动，体系温度要始终维持在旦启动，体系温度要始终维持在45以上。以上。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院

47、（3）隔膜材料 v PAFC的电解质封装在的电解质封装在电池隔膜内电池隔膜内。隔膜材料目前采用微。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜，它由孔结构隔膜，它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的。新型的SiC-PTFE隔膜有直径极小的微孔，可兼隔膜有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。顾分离效果和电解质传输。v 设计隔膜的孔径远小于设计隔膜的孔径远小于PAFC采用的氢电极和氧电极（采采用的氢电极和氧电极（采用多孔气体扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳用多孔气体扩散电极）的孔径，这样可以保证浓磷酸容纳在电解质隔膜内，起到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。在

48、电解质隔膜内，起到离子导电和分隔氢、氧气体的作用。隔膜与电极紧贴组装后，当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电隔膜与电极紧贴组装后，当饱吸浓磷酸的隔膜与氢、氧电极组合成电池的时候，极组合成电池的时候，部分磷酸电解液会在电池阻力的作部分磷酸电解液会在电池阻力的作用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层，形成稳定的用下进入氢、氧多孔气体扩散电极的催化层，形成稳定的三相界面。三相界面。 中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院（4）双极板材料 v 双极板双极板的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流，使两级导的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流，使两级导通。双极板材料是玻璃态的碳板

49、，表面平整光滑，以利于通。双极板材料是玻璃态的碳板，表面平整光滑，以利于电池各部件接触均匀。为了减少电阻和热阻，双极板材料电池各部件接触均匀。为了减少电阻和热阻，双极板材料非常薄。非常薄。v 要求：足够的气密性，以防止反应气体的渗透；在高温高要求：足够的气密性，以防止反应气体的渗透；在高温高压及磷酸中化学性能稳定性；良好的导电电热能力；足够压及磷酸中化学性能稳定性；良好的导电电热能力；足够的机械强度。的机械强度。v 在在1000-2000度对热固树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）度对热固树脂（如酚醛树脂、环氧树脂）碳化制得的玻璃化碳强度高、气密性好。碳化制得的玻璃化碳强度高、气密性好。中南大学冶金科

50、学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3.2.2 电极结构与制备工艺电极结构与制备工艺1）电极结构）电极结构 PAFC采用的电极与采用的电极与AFC一样，均属多孔气体扩散电极。为提高铂的利用率、一样，均属多孔气体扩散电极。为提高铂的利用率、降低铂载量，开发了降低铂载量，开发了PAFC专用电极。该电极分为三层：专用电极。该电极分为三层： 第一层：第一层：疏水碳纸疏水碳纸 通常称支撑层通常称支撑层 浸入浸入40%50%的聚四氟乙烯乳液后，的聚四氟乙烯乳液后，孔隙率降至孔隙率降至60%左右，平均孔径为左右，平均孔径为12.5 m。支撑层的厚度为。支撑层的厚度为0.20.4m

51、m，它的作，它的作用是支撑催化层，同时起收集和传导电流的作用。用是支撑催化层，同时起收集和传导电流的作用。 第二层：第二层：整平层（扩散整平层（扩散层层 ） 为便于在支撑层上制备催化层，在炭纸表面为便于在支撑层上制备催化层，在炭纸表面制备一层由制备一层由X-72型炭和型炭和50%聚四氟乙烯乳液组成的混合物，厚度为聚四氟乙烯乳液组成的混合物，厚度为12 m。 第三层：第三层：催化层催化层 在扩散层上覆盖由铂在扩散层上覆盖由铂/炭电催化剂炭电催化剂+聚四氟乙烯乳液聚四氟乙烯乳液（30%50%）的催化层，厚度约）的催化层，厚度约50 m。 一般而言，电极制备好后须经过滚压处理，压实后在一般而言，电极

52、制备好后须经过滚压处理，压实后在320340度烧结，以增度烧结，以增强电极防水性。强电极防水性。2）制备工艺）制备工艺 扩散层：扩散层： 碳纸碳纸PTFE浸泡法浸泡法 整平层与催化层：喷涂法或刮膜法（类似于锂离子电池极片拉浆）整平层与催化层：喷涂法或刮膜法（类似于锂离子电池极片拉浆）中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3） 双极板双极板 PAFC的双极板材料采用复合碳板。复合碳板分三层，中间的双极板材料采用复合碳板。复合碳板分三层，中间为无孔薄板，两侧为多孔碳板。为无孔薄板，两侧为多孔碳板。作为作为PAFC的双极板，最重要的性能是它的比电导、与电极之间

53、的双极板，最重要的性能是它的比电导、与电极之间的接触电阻和在电池工作条件下的稳定性。的接触电阻和在电池工作条件下的稳定性。20世纪世纪80年代，采年代，采用铸模工艺由石墨粉和酚醛树脂制备带流场的双极板。对模铸用铸模工艺由石墨粉和酚醛树脂制备带流场的双极板。对模铸双极板，其性能由石墨粉粒度分布、树脂类型与含量、模铸条双极板，其性能由石墨粉粒度分布、树脂类型与含量、模铸条件与焙烧温度等决定。件与焙烧温度等决定。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 图图31 磷酸型燃料电池结构示意图磷酸型燃料电池结构示意图3.3 PAFC结构与电池组结构与电池组中南大学冶金

54、科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院1） 电池密封电池密封 电池密封分两个部分：一是每节电池氧化剂与燃料相邻两个周边的密电池密封分两个部分：一是每节电池氧化剂与燃料相邻两个周边的密封；二是燃料腔与空气相邻两个周边的密封和外共用管道与电池组的密封；二是燃料腔与空气相邻两个周边的密封和外共用管道与电池组的密封。封。 对于干装电池，可将碳化硅隔膜需密封边浸入氟密封胶，并使其渗入对于干装电池，可将碳化硅隔膜需密封边浸入氟密封胶，并使其渗入隔膜内部，完成隔膜阻气和实现与双极板之间的密封。而对湿装电池隔膜内部，完成隔膜阻气和实现与双极板之间的密封。而对湿装电池（预先将浓磷酸浸

55、入碳化硅隔膜），浓磷酸即可起密封作用。外用管道（预先将浓磷酸浸入碳化硅隔膜），浓磷酸即可起密封作用。外用管道与电池组间的密封一般采用与电池组间的密封一般采用Viton橡皮做密封垫，该橡皮在橡皮做密封垫，该橡皮在PAFC工作温工作温度下具有轻微流动性，有助于实现外共用管道与电池组间密封。度下具有轻微流动性，有助于实现外共用管道与电池组间密封。2）电介质管理电介质管理 PAFC用碳化硅薄膜厚度较小，贮存的磷酸有限，在电池长时间运用碳化硅薄膜厚度较小，贮存的磷酸有限，在电池长时间运行过程中，由于磷酸挥发和电池材料腐蚀等原因导致磷酸损失，不但影行过程中，由于磷酸挥发和电池材料腐蚀等原因导致磷酸损失，不

56、但影响电池性能，严重时还会引起燃料与氧化剂互窜。响电池性能，严重时还会引起燃料与氧化剂互窜。 为确保为确保PAFC的炭化硅薄膜有充足的磷酸，以发展了两种技术：的炭化硅薄膜有充足的磷酸，以发展了两种技术：一是预一是预先将酸贮存在电池内，靠灯芯将酸导至膜电极组件中；二是在电池组内先将酸贮存在电池内，靠灯芯将酸导至膜电极组件中；二是在电池组内加蓄酸板，实现磷酸的补充和当酸体积改变是防止酸流失。加蓄酸板，实现磷酸的补充和当酸体积改变是防止酸流失。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院3.4 影响影响PAFC性能的因素性能的因素1）温度）温度 热力学分析角度看，升

57、高电池的工作温度，会使电池的可逆电热力学分析角度看，升高电池的工作温度，会使电池的可逆电位下降。但升高温度会加速传质和电化学反应速率，减少活化极化、浓差位下降。但升高温度会加速传质和电化学反应速率，减少活化极化、浓差极化和欧姆极化。总体上升温会改善电池性能，极化和欧姆极化。总体上升温会改善电池性能，PAFC的工作温度为的工作温度为200。2）气体压力）气体压力 热力学分析表明，电池反应气体的工作压力会提高可逆电热力学分析表明，电池反应气体的工作压力会提高可逆电池的电压；从动力学角度看，升高压力会增加氧化还原的电化学反应速率，池的电压；从动力学角度看，升高压力会增加氧化还原的电化学反应速率，氧还

58、原的速率与氧的压力成正比。升高压力会减少欧姆极化。氧还原的速率与氧的压力成正比。升高压力会减少欧姆极化。 3）反应气体组成）反应气体组成PAFC的燃料气对杂质有相当高的要求，以富氢气体为例，富氢气体中的的燃料气对杂质有相当高的要求，以富氢气体为例，富氢气体中的CO会造成催化剂铂中毒和氢电极极化，要求会造成催化剂铂中毒和氢电极极化，要求CO的浓度范围控制在的浓度范围控制在1%（工作温度为（工作温度为190时），富氢气体中的时），富氢气体中的H2S气体的最高体积分数为气体的最高体积分数为2.010-6。4）4）燃料电池寿命）燃料电池寿命在在PAFC的工作条件下，氧电极的工作电压高于的工作条件下，氧电极的工作电压高于0.8V时，电催化剂铂会发时，电催化剂铂会发生微溶，催化剂的担体生微溶，催化