燃料电池的历史和发展

1、燃料电池燃料电池历史和发展燃料电池特点和分类质子交换膜燃料电池国内外燃料电池发展情况GO！燃料电池的历史和发展第1页 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力和核能发电之后第四类发电技术。它是一个不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂化学能转变为电能高效发电装置。燃料电池的历史和发展第2页 1839年英国Grove创造了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂简单氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅照明灯。因为氢气在自然界不能自由地得到，在随即几年中，人们一直试图用煤气作为燃料，但均未取得成功。1866年， 人们发觉了机-电效应。这一发觉开启了发电机发展，并使燃料电池技术黯然失色。 1889年

2、Mood和Langer首先采取了燃料电池这一名称，但燃料电池研究直到20世纪50年代才有了实质性进展。 试验电厂中燃料电池组燃料电池历史和发展NEXT燃料电池的历史和发展第3页 20世纪60年代初因为航天和国防需要，才开发了液氢和液氧小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。从此，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级磷酸燃料电池也研制成功。 空间站电力系统工作原理图 从80年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。 近二三十年来，因为一次能源匮乏和环境保护突出，要求开发利用新清洁再生能源。燃料电池因为含有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国普遍重视。

3、燃料电池的历史和发展第4页 燃料电池发生电化学反应实质是燃烧反应。它与普通电池不一样之处于于燃料电池正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用或传导电流作用。所需燃料(氢或经过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不停由外界输入，所以燃料电池是名符其实把化学能转化为电能装置。 中间未经燃烧。燃料电池特点燃料电池的历史和发展第5页 燃料电池与普通电池本质区分在于其能量供给连续性，燃料和氧化剂是从外部不停提供。它含有以下优点：能量转换效率高污染小、噪声低高度可靠性适应能力强操作简单灵活性大建设周期短比能量或比功率高燃料电池的历史和发展第6页 3.基本组

4、成(1)电极： 能够由含有催化活性材料组成；也能够只作为电化学反应载体和反应电流传导体。(2)电解质： 能够是固体，也能够是水溶液或熔融盐。燃料电池的历史和发展第7页 (3)燃料： 气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体(CH3OH、高价碳氢化合物）也能够是固体（金属氢化物） (4)氧化剂：相对于燃料选择，氧化剂选择比较方便，纯氧气O2 、空气或卤素X2都能够胜任，而空气是最廉价氧化剂。燃料电池的历史和发展第8页燃料电池分类高温型中温型低温型按工作温度按燃料起源直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池 ）间接式燃料电池（如甲醇经过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池燃料 ）再生类型NEXTBACK

5、燃料电池的历史和发展第9页按电解质类型磷酸盐型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）碱性燃料电池（AFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）燃料电池的历史和发展第10页磷酸型燃料电池（PAFC）电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt电解质： 浓H3PO4工作温度：180210燃料： H2电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O优点：抗CO2，可应用于独立电站缺点：贵金属催化剂对CO敏感1，电解质电导率低电极反应：负极：2H2 - 4e=4H 正极：O2 + 4H + 4e = 2H2O+燃料电池的历史和发展第11页熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

6、电极材料： 正极：高分散Ni 负极：高分散Ni电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作温度：600700燃料： CO 或 H2电池反应: 2CO + O2 = 2CO2优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整轻易，Ni催化剂不怕CO中毒缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀电极反应: 负极：2CO 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO32-2-燃料电池的历史和发展第12页碱性燃料电池（AFC）电极材料： 正极：高分散Ni 负极：高分散Ni电解质： KOH 或 NaOH工作温度：室温100燃料： H2 电池反应: 2H2+O

7、2=2H2O优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应: 负极：2H2 + 4OH 4e = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH-燃料电池的历史和发展第13页固体氧化物燃料电池（SOFC）电极材料： 正极：多孔Ni 负极：多孔Ni电解质： ZrO2工作温度：9001000燃料： H2 或CO电池反应: 2H2+O2=2H2O优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应: 负极：2H2 + 2O 4e = 2H2O 正极：O2 + 4e = 2O2-2-燃料电池的历史和

8、发展第14页质子交换膜燃料电池（PEMFC）电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt ( Ru )电解质： 质子交换膜工作温度：25125燃料： H2 或甲醇电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应: 负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O+经典PEMFC结构PEMFC箱体5KW电池组（第一代）200W电池组（第一代）PEMFC试验电厂HOME燃料电池的历史和发展第15页表1.1 燃料电池分类1质子交换膜燃料电池 质子交

9、换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速开启。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有辽阔应用前景，尤其是电动车最正确驱动电源。它已成功地用于载人公共汽车和飞驰轿车上 。 H2-O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为1.229V,工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用贵金属较多，价格高。加上氢储存和运输问题， 人们开始用甲醇，天然气等作为PEMFC燃料。BACKNEXT燃料电池的历史和发展第16页燃料电池的历史和发展第17页中国矿业大学化工学院 应化系下一页最终页上一页第一页 图3

10、.6 DMPEMFC原理图燃料电池的历史和发展第18页 有机小分子作为PEMFC燃料有以下优点：常温常压下为液体，携带和储存都很方便燃料最终产物是CO2和水，污染极小起源丰富，价格低廉无C-C键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者经过重整器把甲醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它含有体积小、重量轻、结构简单、操作轻易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。NEXTBACK燃料电池的历史和发展第19页 尽管DMPEMFC含有没有可比拟优点，但要到达实际应用还有大量问题有待深入处理，当前它技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好也只有0.10W/cm2。而要到达实际应用，必须到达0.25W/cm