应用化学34燃料电池

1、燃料电池及燃料电池电动车内 容 提 要燃料电池(Fuel Cell)的基本原理及组成燃料电池的分类质子交换膜燃料电池的特点及研发应用现状燃料电池的发展趋势燃料电池汽车基本结构及特点燃料电池汽车的研发进展n燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。n它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。n自1839年GRGrove建造世界上第一个燃料电池以来，燃料电池已经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴趣的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。n燃料电池的首次实际

2、应用是在1960年作为宇宙飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展，6070年代集中研究航空、航天方面用的燃料电池，80年代后期重点研究地面用的燃料电池。n世界上美国、苏联、加拿大、日本等国家从那时起都投人了很大力量进行研究和开发。至今，已研制成了从几瓦的小功率燃料电池到兆瓦级的发电站的燃料电池样机 燃料电池通过氧与氢（或其他燃料）结合成水的简单电化学反应而发电。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。 下图为燃料电池基本原理示意图。卡诺循环原理n卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉莱昂纳尔萨迪卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程

3、，卡诺循环包括四个步骤: 等温吸热，等温吸热， 绝热膨胀，等温放热，绝热压缩绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1(P1，V1，T1)等温吸热到状态2(P2，V2，T2)，再从状态2绝热膨胀到状态3(P3，V3，T3)，此后，从状态3等温放热到状态4(P4，V4，T4)，最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。新款燃料电池 燃料可以是等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为 ，燃料和氧化剂由电池外部分外部分别供给别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过

4、外电路做功并构成电的回路。 与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。只决定的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。 1.2 燃料电池系统组成 单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统氧化剂供给系统、水水/热管理系统热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统控制系统组成燃料电池发电系统，简称。1 燃料电池组2 辅助装置和关键设备：

5、 (1)燃料和燃料储存器（包括碳氢化合物转化的重整器）(2)氧化剂和氧化剂存储器(3)供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置）(4)水和热管理系统2、燃料电池的分类高温型高温型中温型中温型低温型低温型按工作温度按工作温度按燃料来源按燃料来源直接式燃料电池（直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池如直接甲醇燃料电池 ）间接式燃料电池（间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池的燃料料电池的燃料 ）再生类型再生类型NEXTBACK按电解质类型按电解质类型2.1 质子交换膜燃料电池（proton exchange m

6、embrane fuel cell-PEMFC） 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜（例如全氟磺酸膜）；4）双极板。 工作时，在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。下图是质子交换膜燃料电池工作原理示意图在电极上的这些反应如下：阳极：阴极：整体： 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。

7、每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，。22H4H4e22O4H4e2H O2222HO2H O500kw质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Pt 负极：高分散负极：高分散Pt ( Ru (钌钌)电解质：电解质： 质子交换膜质子交换膜工作温度：工作温度：25125燃料：燃料： H2 或甲醇或甲醇电池反应电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高

8、缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极：正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O+典型的典型的PEMFC结构结构PEMFC箱体箱体5KW电池组电池组（第一代）（第一代）200W电池组（第一代）电池组（第一代）PEMFC试验电厂试验电厂HOME2.2碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质

9、为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应： 阳极反应： 阴极反应： 碱性燃料电池的工作温度大约80。因此启动也很快，但其能量密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。22H4OH4H O4e22O2H O4e4OH碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Ni 负极：高分散负极：高分散Ni电解质：电解质： KOH 或或 NaOH工作温度：工作温度：室温室温100燃料：燃料： H2 电池反应电池反应: 2H2+O2=2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属

10、催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极：2H2 + 4OH 4e = 4H2O 正极：正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH-2.3磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要位于150 - 200左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。且较高的工作温度也使其对

11、杂质的耐受性较强。 磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。 磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Pt 负极：高分散负极：高分散Pt电解质：电解质： 浓浓H3PO4工作温度：工作温度：180210燃料：燃料： H2电池反应电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O优点：优点：抗抗CO2，可应用于独立电站，可应用于独立电站缺点：缺点：贵金属催化剂对贵金属催化剂对CO敏感敏感1，电解质电导率低，电解质电导率低电极反应电极反应：负

12、极：负极：2H2 - 4e=4H 正极：正极：O2 + 4H + 4e = 2H2O+2.4熔融的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 熔融的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池使用熔融的锂钾碳酸盐或者使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650时，这种盐就会熔融，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。 阳极反应：阴极反应： 。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。 这种电池需要较长的时间

13、方能达到工作温度，因此不能用于交通运输。23222COHH OCO2e22232COO4e2CO熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Ni 负极：高分散负极：高分散Ni电解质：电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作温度：工作温度：600700燃料：燃料： CO 或或 H2电池反应电池反应: 2CO + O2 = 2CO2优点：优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕催化剂不怕CO中毒中毒缺点：缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极

14、需补充CO2，腐蚀，腐蚀电极反应电极反应: 负极：负极：2CO 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO32-2-2.5固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC） 固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于800-1000之间。在这种燃料电池中，当氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。 阳极反应阴极反应: 固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。

15、由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。222HOH O2e22COOCO2e22O4e2O固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFC）电极材料：电极材料： 正极：多孔正极：多孔Ni 负极：多孔负极：多孔Ni电解质：电解质： ZrO2工作温度：工作温度：9001000燃料：燃料： H2 或或CO电池反应电池反应: 2H2+O2=2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，

16、价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极：2H2 + 2O 4e = 2H2O 正极：正极：O2 + 4e = 2O2-2-3质子交换膜燃料电池的特点及研发现状 燃料电池种类较多，PEMFC 以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长、重量轻、无腐蚀性、不受二氧化碳的影响，能量来源比较广泛等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。 由于膜的结构、工艺和生产批量等问题的存在，到目前为止，质子交换膜的成本是非常高的，约为每平米600美元。其中膜的成本占20%30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。据研究计划报道，其第三代质子交换膜BAM3G，价格将为每平米50美元。4燃料电池的现状 目前

17、，使用燃料电池面临的主要问题： 1 燃料问题 氧气可以直接从空气中获得，比较省力；氢气则需要消耗电能以电解水或在催化剂的作用下重组碳氢化合物这两种方法获取。但也有人认为氢可以从天然气中产生，其成本同生产汽油相当。如将燃料电池高效率因素考虑进来，使用氢将比汽油更加经济。 2 安全问题 氢气是易燃气体，使用时要防止泄露，爆炸等危险情况的发生。 阻碍燃料电池推广应用的关键问题还有成本高、寿命短、体积大等，归根结底还是技术问题。 5燃料电池汽车（FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle)的基本结构 燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，

18、它所产生的副产品只有水和热。它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走。燃料电池车的基本结构如右图所示。 5.1燃料电池汽车的动力系统结构 燃料电池汽车的动力系统结构主要有四种结构: (1) PFC只有燃料电池一个能量源。这种结构中燃料电池的额定功率大，成本高，对冷起动时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很高的要求。 (2) FCB有燃料电池和辅助动力装置(蓄电池或超级电容)两个动力源。通常燃料电池系统输出车辆常规速度行驶时所需的平均功率，而辅助动力装置用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。这样动力系统的动力性增

19、强，运行状态比较稳定，因而它的总体运行效率得到提高。 (3)燃料电池和超级电容联合驱动(FCC)、 (4)燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动(FCBC) 。 燃料电池混合动力(FCB)系统的一般结构 根据这一连接形式的不同可将动力系统结构分为两类:直接燃料电池混合动力系统,燃料电池与电机驱动系统之间直接相连;间接燃料电池混合动力系统,燃料电池与电机驱动系统之间通过DC/DC变换器间接相连。 间接间接燃料燃料电池电池混合混合动力动力系统系统结构结构 上图中的电力、电子装置部分包括DC/DC变换器和电机控制器等，它们之间不同的布置方式会导致燃料电池和电机驱动系统之间连接形式的不同。直直接接燃燃料

20、料电电池池混混合合动动力力系系统统结结构构5.2燃料电池汽车的特点1、效率高效率高 燃料电池汽车路试时可以达到4050%的效率而普通汽车只有1016%。燃料电池汽车总效率比混合动力汽车也要高。2、燃料电池电动汽车仅排放热和水高效、环境友好的清洁汽车。燃料电池可节省石油。目前令全世界对石油的依存度，超过警戒线30%，预计2020年60%。5.3燃料汽车的工作过程 当氢气和氧化剂进入燃料电池后，用燃料电池控制模块对燃料电池的压力、温度和反应速度以及燃料电池的负荷变化进行控制和调节,控制燃料电池正常运转和发生故障后的应急处理。在燃料电池运作的过程中,采用热管理模块和产出物管理模块对废热的使用和排放的

21、HO、CO、CO等进行处理，使反应过程连续进行。6燃料电池汽车的研发进展 在全球温室效应与能源问题逐渐受到各国政府的重视下，主要国家之污染法规渐趋严格，因此对低污染车辆之需求势必增加。因而汽车业界近年来一直致力于开发氢燃料电池车。其中较为领先的有美国通用、日本丰田和本田等。 国内有上海的超越号，东风的楚天一号。通用Hy-wire氢动三号 由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。 通用Hy-wire氢动三号的电池组 通用汽车氢燃料电池车Sequel Se