燃料电池培训课件(-47张)

第五章燃料电池第五章燃料电池燃料电池的概述燃料电池（fullCell）是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化学装置。燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery）完全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电，因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质一旦消耗完，电池的寿命就终止。燃料电池的概述燃料电池（fullCell）是一种将持续供给燃料电池的组成燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及控制系统等几个子系统组成。燃料电池的组成燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供给系燃料电池的种类碱性燃料电池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料电池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)质子交换膜燃料电池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固体氧化物燃料电池(SOFC)(solidoxidefuelcell)燃料电池的种类碱性燃料电池（AFC）（alkalinefu碱性燃料电池工作原理使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，

阳极反应：2H2+4OH-→4H2O+4e-

阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

总反应：O2+2H2→2H2O碱性燃料电池的工作温度大约80℃。碱性燃料电池工作原理碱性燃料电池工作示意图碱性燃料电池工作示意图AFC电极的制备工艺AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的气、液、固三相界面。双孔结构电极电极分两层，粗孔层和细孔层，粗孔层与气室相连，细孔层与电解质接触。电极工作时，粗孔层内充满反应气体，细孔层内填满电解液。细孔层的电解液浸润粗孔层，液气界面形成并发生电化学反应，离子和水在电解液中传递，而电子则在构成粗孔层和细孔层的合金骨架内传导。黏结型电极是将亲水的导电体（如电催化剂材料铂／碳）与具有粘结能力的防水剂（如聚四氟乙烯乳液）按比例混合制成电极。它在微观尺度上是相互交错的两相体系，由防水剂构成的疏水网络为反应气体提供内部的扩散通道；由电催化剂构成的亲水网络可以被电解液充满浸润，它为水和OH-

提供通道的同时，也为电子的传导提供通道。AFC电极的制备工艺AFC的电极设计要求电极具有高度稳定性的AFC的催化剂常用的催化剂有贵金属，包括铂、铑、金、银贵金属合金过渡金属，如钴、镍和锰等。对催化剂的布置形式直接制成电极如采用高比表面的镍作阳极，银粉作阴极，电极本身具有催化性能用高比表面的碳材料做电极基体，将贵金属催化剂分散到碳基体上，形成具有催化活性的电极。AFC的催化剂常用的催化剂有AFC的隔膜材料一般采用石棉膜由石棉纤维制备，分子式为3MgO·2SiO2·2H2O石棉膜化学性能稳定，耐酸碱和有机物腐蚀，具有均匀的孔结构，是电子的绝缘体。饱浸氢氧化钾水溶液的石棉膜是离子(OH－)的良好导体，并阻止水分子通过。AFC的隔膜材料一般采用石棉膜AFC循环系统AFC循环系统AFC的排水方法反应气体循环法通过循环一个或两个电极的反应气体，在外部冷凝成液态水排出静态排水法在氢气室一侧设置一多孔排水膜，生成的水通过浓差扩散通过氢气室，进入排水膜在排水膜外侧冷凝并通过排水腔排出冷凝排水法在氢气室一侧设置冷凝板，外侧的冷凝腔内流过冷却剂，生成的水灾冷凝板上冷凝成液态排出电解质排水法通过电解液的外部循环蒸发排水AFC的排水方法反应气体循环法AFC的性能优缺点优点：能量转化效率高通常单位输出电压为0.8~0.95V，能量转换效率高达60%~70%。采用非铂系催化剂化学性质稳定缺点：氧化剂中必须不含有CO2。燃料中必须不含CO2电池电化学反应生成的水必须及时排出，维持水平衡。AFC的性能优缺点优点：磷酸盐燃料电池（PAFC)PAFC是一种以磷酸为电解质的燃料电池。PAFC采用重整天然气作燃料，空气作氧化剂，浸有浓磷酸的SiC微孔膜作电解质，Pt/C作催化剂，工作温度200℃。PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。磷酸盐燃料电池（PAFC)PAFC是一种以磷酸为电解质的燃PAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2CH3OH+H2O→3H2+CO2阳极：H2→2H++2e-阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O阳极反应：H2→2H++2e-阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O总反应1/2O2+2H2→H2OPAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2阳极：阴极PAFC的结构由多节单电池按压滤机方式组装构成电池组。PAFC的工作温度一般为200℃左右，能量转化率约在40%，为保证电池工作稳定，必须连续地排除废热。PAFC的结构由多节单电池按压滤机方式组装构成电池组。PAFPAFC的冷却系统水冷排热水冷可采用沸水冷却和加压冷却。沸水冷却时，水的用量较少，而加压冷却则要求水的流量较大。水冷系统对水质要求高，以防止水对冷却板材料的腐蚀。水中的重金属含量要低于百万分之一，氧含量要低于十亿分之一空气冷却

采用空气强制对流冷却系统简单，操作稳定。但气体热容低，造成空气循环量大，消耗动力过大。所以气冷仅适用于中小功率的电池组。绝缘油冷却

采用绝缘油作冷却剂的结构与加压式水冷相似，油冷系统可以避免

对水质高的要求，但由于油的比热小，流量远大于水的流量。PAFC的冷却系统水冷排热PAFC的关键材料电催化剂Pt/C催化剂是PAFC常用的电极活性材料。铂和过渡金属（V、Cr、Co等）和合金电极结构扩散层平整层催化层电解质材料浓磷酸溶液隔膜材料微孔结构隔膜，由SiC和聚四氟乙烯组成。双极板双极板的作用是分隔氢气和氧气，并传导电流，使两极导通。双极板材料是玻璃态的碳板，表面平整无滑，以利于电池各部件接触均匀。为了减少电阻和热阻，双极板材料非常薄。

PAFC的关键材料电催化剂双极板PAFC应用系统PAFC应用系统质子交换膜燃料电池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，燃料

氢或净化重整气，氧化剂采用空气或纯氧，双电极材料目前采用石墨或金属。质子交换膜燃料电池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固PEMFC的工作原理阳极反应：H2→2H++2e-阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O电池反应：H2+1/2O2→H2OPEMFC的工作原理阳极反应：PEMFC的结构PEMFC的结构PEMFC的材料关键材料：电催化剂、电极、质子交换膜和双极板电催化剂材料主要以铂为主。碳载铂合金催化剂合金元素主要有铂、铬、锰、钴和镍等，铂在合金元素中的比例一般在35%～65%之间。纳米级颗粒Pt/C催化剂PEMFC的材料关键材料：电催化剂、电极、质子交换膜和双极板PEMFC电极的制备工艺PEMFC电极采用多孔气体扩散电极，由催化层和扩散层构成扩散层起支撑催化层的作用，同时还有收集电流，为电化学反应提供电子通道，气体通道和排水通道等功能。催化层是电极的核心部分，电池的电化学反应发生在催化层。PEMFC电极的制备工艺PEMFC电极采用多孔气体扩散电极，扩散层的制备工艺憎水处理将原料碳纸多次浸入聚四氟乙烯（PTFE）乳液中，用称重法记录浸入的聚四氟乙烯乳液的量。焙烧处理在330～340℃的温度下，焙烧浸好的碳纸，排出其中浸入的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂，同时使聚四氟乙烯热熔烧结并均匀分散在碳纸的纤维上，实现憎水。整平处理将水或水＋乙醇的混合液作溶剂，加入炭黑与PTFE配成的质量比为１:１的溶液，用超声波将溶剂与溶液振荡均匀。当混合物静止沉淀后，弃去上清液，取其沉降物涂到憎水处理的碳纸上，实现其表面平整。其它处理扩散层的制备工艺憎水处理催化层的制备工艺催化层的制备工艺目前可分为两大类：经典疏水电极催化层制备工艺薄层亲水电极催化层制备工艺。催化层的制备工艺催化层的制备工艺目前可分为两大类：膜电极三合一组件与AFC、PAFC相比，PEMFC保持电极与膜的良好接触要困难得多。PEMFC的膜为高分子聚合物，仅靠电池组装力不能使电极与离子交换膜之间有良好的接触，同时质子导体也无法进入多孔气体电极的内部。于是必须制备电极-膜-电极的三合一组件。具体做法是将全氟磺酸树脂玻璃化温度下施加一定压力，将以加入全氟磺酸树脂的氢电极（阳极）、隔膜(全氟磺酸型质子交换膜)和已加入全氟磺酸树脂的氧电极（阴极）压和在一起，形成了电极-膜-电极三合一组件，膜电极三合一组件与AFC、PAFC相比，PEMFC保影响PEMFC性能的因素质子交换膜的厚度不同，会造成电池内阻的差异。研究发现质子交换膜越薄，越有利于提高电极的催化活性。提高电池的操作温度，有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度。考虑到质子交换膜为有机物，操作温度通常在室温到90℃。操作压力为PH2/PO2的压力比值。如果增加气体压力，可以改变氢、氧气体的传质，影响电池的性能。同时，会增加整个系统的能耗。质子交换膜中的水含量影响电解质膜的电导，膜如果失水，膜电导会下降。对反应气体增温可以防止膜失水，以确保电池正常运行。影响PEMFC性能的因素质子交换膜的厚度不同，会造成电池内阻熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)MCFC属高温燃料电池，工作温度是650~700℃。与低温燃料电池相比，MCFC的本和效率很有竞争力，概括起来有四大优势：①在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在阳极反应室进行甲烷的重反应，重整反应到所需热量由电池反应的余热提供；②MCFC的工作温度为650~700℃，其余热可用来压缩反应气体以提高电池性能，可以用于供暖；③燃料重整时产生的CO可以作为MCFC的燃料，且由于MCFC为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威胁；④催化剂为镍合金，不使用贵金属。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)MCFC属高温燃料电池，工MCFC的工作原理MCFC的工作原理MCFC的工作原理MCFC的阴极反应：O2+2CO2+4e-→2CO32-阳极反应：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-电池反应：O2+2H2→2H2OMCFC的工作原理MCFC的阴极反应：MCFC的结构MCFC的结构MCFC的性能MCFC的性能MCFC的制备工艺隔膜的制备膜主要采用偏铝酸锂(LiAlO2)膜，隔膜材料为LiAlO2粉体。为了保证隔膜的质量，必须严格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏铝酸锂隔膜的制备方法有热压法、电沉积法、真空铸造法、冷热液法和带铸法等。其中带铸法既适宜于大批量生产，又能保证质量，目前广泛被采用。MCFC的制备工艺隔膜的制备MCFC的制备工艺阴极的制备原料选用羰基法制备的Ni粉，也可以选用高温合成法制备的Ni-Cr合金粉（Cr的含量为8%），加入一定比例的胶黏剂、增塑剂和分散剂，用正丁醇和乙醇作溶剂调成浆料，用带铸制膜。阳极的制备原料选用LiCoO2、LiMnO2或CeO2

等，同样采用带铸法制成阳极。膜厚度为0.4~0.6mm，平均孔径为10μm，孔隙率为50%~70%左右。MCFC的制备工艺阴极的制备MCFC的制备工艺双极板材料双极板的原材料主要为不锈钢或各种镍合金。双极板有三个主要作用：隔开氧化剂（O2

或空气）与还原剂（天然气、重整气）；提供气体流动通道；集流导电。MCFC的制备工艺双极板材料MCFC的研究趋势阴极的溶解解决阴极溶解的方法主要有：

①抑制NiO的溶解，包括向电解质中加入BaCO3、SrCO3，改变电解质的组分配比；

②改变阴极成分，向其中加入氧化钴、氧化银或稀土氧化物；

③改变阴极材料，用LiCoO2

、LiMnO2LiFeO2、SnO2

、Sb2O3

、CuO、CeO2

取代做阴极；

④降低气体工作电压，减缓NiO的溶解。MCFC的研究趋势阴极的溶解MCFC的研究趋势阳极的蠕动在高温条件下，还原气氛中的镍还发生蠕变，结果导致电池的机械强度降低。向镍阳极中加入Cr、Al等元素用LiAlO2

或SrTiO3

作电极的基体材料，其表面镀一层镍或铜，然后热压烧成电极，目前普遍采用Ni-Cr或Ni-Al合金作MCFC的阳极。电池双极板材料的防腐MCFC