新能源发电技术 电子课件 8.1 燃料电池的工作原理及输出性能

8.1燃料电池的工作原理及输出性能任课教师：2018年6月目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的起源燃料电池的发展历史ox(氧气管)反应:2H2O-4e-→4H++O2hy(氢气管)反应：4H++4e-→2H2英国的格罗夫教授在电解水实验过程中，发现吸附H2和O2的Pt电极能够释放出电能，进而提出了燃料电池概念。上图是该燃料电池的格罗夫的实验装置，该装置分为上下两部分，上部为电解水装置，下部就是燃料电池。ox(氧气管)反应：O2+4H++4e-→2H2Ohy(氢气管)反应：2H2→4H++4e-燃料电池初期发展缓慢的原因：燃料电池的发展历史2.内燃机技术的迅速发展1.19世纪的科技不够发达，阻碍了燃料电池的发展燃料电池关键的铂电极无法大量生产氢气缺少来源电堆的生产工艺达不到相应的水平3.化石能源的大规模开发及使用燃料电池发展的转折燃料电池的发展历史1932年，剑桥大学的培根博士开发出第一个碱性燃料电池，该装置采用比较廉价的镍取代铂电极，以及采用不易腐蚀电极的碱性电解质--氢氧化钾取代了硫酸电解质。并于1959年真正制造出能够工作的燃料电池，其发电功率为5kW，用于给焊接机供电。阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-

燃料电池发展的转折燃料电池的发展历史

20世纪60年代，NASA寻找适合作为宇宙飞船的动力源，对各种动力源进行了分析比较，最终选定燃料电池作为动力源进行开发设计。其原因为：普通化学电池过于笨重太阳能不能持续的为宇宙飞船供电核能具有一定的危险性燃料电池能够满足1～10kw的功率要求，产物水还能作为饮用水近代燃料电池的发展燃料电池的发展历史1973年的石油危机使世界各国普遍认识到了新能源的重要性，纷纷认真思考燃料电池广泛应用的可行性，以及如何克服燃料电池商业化的困难与障碍。近代燃料电池的发展燃料电池的发展历史20世纪70年代燃料电池的研发都集中在开发新材料、寻求易得的燃料来源和降低成本上。21世纪后，世界各地已经有许多公共场所已经安装了燃料电池发电系统，也开发出了各种使用燃料电池的新能源汽车，更有了燃料电池发电站。燃料电池发电站燃料电池汽车目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池与传统热机的相同点燃料电池与传统热机的区别燃料电池的工作原理燃料电池传统热机-柴油机化学能热能机械能电能两者都只是能量转换器，而非能量储存器。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理反应物的输入为了保证燃料电池能够持续发电，必须为其连续不断地提供燃料和氧化剂。利用流场板结合多孔电极结构可以有效地实现反应物的高效输送。流场板多孔电极燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理电化学反应的发生阳极反应:2H2→4H++4e-阴极反应：O2+4H++4e-→2H2O阴极阳极反应平衡后便在各自电极形成电势差。为获得较大的电流，通常会用催化剂来提高反应速率。该反应为放热反应，在产生电能的同时伴有热能产生。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理电子与离子的传导电子的传导：任意导电路径离子的传导：电解质离子相较电子尺寸大，必须为离子提供扩散路径。为减小电池内阻，电解质层应尽量的薄。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理反应产物的排放产物不及时排出的危害：影响反应物与电极、催化剂的接触，造成燃料电池效率低下剩余反应物及反应产物的排放：未参与反应的氢气：顺着阳极流道从出口离开燃料电池未参与反应的氧气及反应产物：顺着阴极流道从出口排出反应产热的排除：外部冷却系统进行冷却降温目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性为了提高燃料电池的输出电流和电压以满足实际应用需求，采用以下措施：

提高输出电流：增加单体电池的截面积或者多个单体电池并联

提高输出电压：多个单体电池串联形成电池堆燃料电池的基本结构单体电池是由电极、电解质、双极板以及电池外壳等基本单元组成：单体电池电池堆电池堆往往包括数十甚至上百个单体电池燃料电池的基本结构1.电极定义：燃料发生氧化反应以及氧化剂发生还原反应的场所电极性能好坏的关键：电极的材料

、催化剂的性能、电极制作工艺等催化剂：提高电极反应的速度多孔电极：增加反应物与催化剂的接触面积，提高反应速率燃料电池的基本结构2.电解质作用：为离子提供扩散通道以及隔离阳极阴极之间的反应物固态电解质：具有离子导电能力的材料制成的无孔膜液态电解质：吸附在多孔基体隔膜内的液态电解质电解质的类别：质子交换膜燃料电池的基本结构3.双极板作用：双极板是燃料电池所特有的，它起到连接单体电池、收集电流、分配气体和热量管理等作用。分类：石墨板、金属板与复合材料板石墨板：导电性及耐腐蚀性好，但制作工艺复杂、较厚金属板：较薄、加工简单，但不耐腐蚀复合材料板：适合大量生产，但内阻较大、机械强度不足目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的电动势燃料电池的输出性能电池电动势与电池反应的吉布斯自由能的变化有关。吉布斯自由能变化可定量表示出等温等压条件下，体系对外输出非体积功的能力：△G=△H-T△S△G=Wr△G：反应吉布斯自由能变（KJ/mol)△H：反应焓变（KJ/mol）△S：反应熵变（KJ/(mol·k))T：温度（K）Wr：非体积功的最大值（KJ/mol)对于燃料电池而言，对外所做的非体积功为电能（功率与电流和电压有关），因此可得：Wr=nFEn：单个反应中转移电子数F：法拉第常数（F=96500C/mol)E：电池的理想电动势（V)燃料电池的电动势-能斯特方程燃料电池的输出性能对于化学发应aA+bB→cC+dD，其任意状态下的吉布斯自由能变与标准吉布斯自由能变的关系为：R：气体常数(R=8.314J/(mol∙K)）α是物质X的活度，若物质X为溶质，则α表示X在溶液中物质的量浓度与1mol/L的比值，若其为气体，则其表示X的分压与标准大气压力的比值△G0为标准吉布斯自由能变（KJ/mol):燃料电池的电动势-能斯特方程燃料电池的输出性能通过上述推导可得能斯特方程：对于氢氧燃料电池能斯特方程为：利用能斯特方程可以推出理论电动势，但是实际电动势小于理论值，实际电动势可表示为：其中：Eact

：活化损失；Eohm：欧姆损失；Econc：浓度损失。燃料电池的电流密度燃料电池的输出性能电流密度为单位电极面积上的电流强度：I：流过截面的电流(A)；

A：截面面积(m2)对电流密度取决定性作用的因素是燃料在燃料电池内部的利用率。在同样的外部条件下，燃料利用率越高，说明参与电化学反应的燃料所能提供的电子越多，则电池输出的电流密度越大。燃料电池的能量转换效率燃料电池的输出性能理想状态下燃料电池的转换效率：实际电压不等于理论值，因而可以定义电压效率：燃料电池的输出电流也小于理论电流，由此可以定义电流效率：综上燃料电池的实际能量转换效率定义为：目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的优势：能量转换效率高燃料电池直接将化学能转化成电能，发电效率在40﹪～60﹪之间，若是加以综合利用，总效率可达80﹪环境友好燃料电池使用的氢燃料可以通过可再生能源或化工过程副气得到，其工作过程中的排放产物为水或水蒸气，清洁、无污染燃料电池的工作特性燃料电池的优势：噪音低传统热机系统必须含有转动部件，运行时噪声非常大；燃料电池结构简单而且没有转动设备，工作环境噪声低模块化程度高发电效率与规模无关，适合不同功率要求用途广泛可应用在各个领域，如在航天、家庭、移动电源都有不错的应用前景燃料电池的工作特性燃料电池的不足之处：成本高燃料电池一般采用稀有金属作为催化剂氢燃料无法高效、低成本的获取对辅助设备要求高多数为氢燃料电池，需要将其他燃料转化为H2才能利用催化剂对环境敏感（如Pt催化剂遇CO会中毒失活）密封要求高单体电池连接时必须严格密封，以防H2泄露。给燃料电池的制造与维护带来一定的困难燃料电池的工作特性什么是燃料电池？它的优缺点是什么？阐述燃料电池与一般传统电池之间、燃料电池与热机之间的差别。请写