新能源发电技术 电子课件 8.2 燃料电池的技术分类

8.2燃料电池的技术分类任课教师：2018年6月概述类型碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池英文简称AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质氢氧化钾溶液磷酸溶液熔融碳酸锂/碳酸钾氧化锆系固态高分子聚合物燃料H2天然气、甲醇、液化石油气煤气、天然气天然气、煤气H2氧化剂O2空气空气空气空气工作温度/℃60-120180-22060-120600-700600-1000分类低温型中温型高温型高温型低温型燃料电池的分类目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5碱性燃料电池该燃料电池中，电解质内部传输的导电离子为OH-，氢气在阳极发生氧化反应，而氧气在阴极发生还原反应。在阳极氢气与氢氧根离子发生反应生成水和电子。电子通过外电路到达阴极和氧气与水生成氢氧根离子，生成的氢氧根离子通过电解质回到阳极。阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-

工作原理碱性燃料电池关键组件碱性燃料电池可选催化剂种类较多，既可以是铂、钯、金、银等贵重金属，也可以采用镍、钴、锰等过渡金属作为催化剂。此外，贵金属与过渡金属组成的合金，例如铂-钯、铂-金、铂-镍、铂-镍-钴、镍-锰等合金，也都可以作为碱性燃料电池的催化剂。石墨和镍都具有较好的化学稳定性，在碱性介质中不易腐蚀，而且价格并不高，因此，适合作为AFC的双极板材料。然而，两者各有其缺点，石墨板由于质地较脆，所需厚度往往超过3mm，因此石墨双极板AFC电池堆的体积比功率无法提高；相对地，由于镍的密度比较大，以镍板作为双极板材料的AFC电池堆的质量比功率会降低。碱性燃料电池特性VS优点

缺点

碱性燃料电池可以使用非铂催化剂，如硼化镍等。这样不但可以降低成本，而且还不受铂资源的限制。

碱性燃料电池的结构可以使用塑料、石墨或者非贵重与稀有金属等较为便宜的材料。1)在以空气作为氧化剂时，

必须清除空气中所含的二氧化碳。2)当以各种碳氢化合物的重整气作为燃料气体时，必须脱除气体中的二氧化碳。3)进行电化学反应所生成产物必须及时排除，增加了成本。目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5工作原理磷酸燃料电池是以磷酸作为电解质的一种燃料电池。采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。在阳极，氢气在电极表面释放出电子生成氢离子，氢离子通过电解质层依靠浓度差扩散迁移到阴极；在阴极，由电解质迁移来的氢离子与从外电路流入的电子及外部供给的氧气生成水。阳极：

H2→2H++2e-

阴极：

1/2O2+2e-+2H+→H2O

磷酸型燃料电池关键组件磷酸型燃料电池电极：由碳载体和铂催化剂层组成，通过化学吸附法将催化剂沉积在载体表面，电极的厚度约为0.1mm。催化剂：采用耐腐蚀的贵金属铂。这是由于磷酸的腐蚀性强，多数合金和金属受酸性电解质腐蚀严重。双极板：常用的材料是石墨，这是由于磷酸具有腐蚀性，双极板不能采用一般的金属材料制作。散热板：在每2-5个单体电池之间加入一片散热板，散热冷却剂常用水、空气或绝缘油等，其中以水为最常用的冷却剂。工作条件及特性磷酸型燃料电池工作温度：180-220℃，其依据是磷酸的蒸汽压、材料的耐腐蚀性能、催化剂的耐CO能力及电池特性。工作压力：常压至0.8MPa，通常对于小容量电池采用常压工作，对于大容量PAFC电池组，多采用加压工作。稳定性良好；余热利用中获得的水可以直接作为人们日常生活用热水；启动时间短。催化剂必须用贵金属，成本较高；若燃料气中的CO过高，催化剂将会被CO毒化而失去催化活性。优点缺点目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属的碳酸盐作为电解质，载流子为碳酸根离子(CO32-)，不需要贵金属做催化剂。燃料气为H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工作时，阳极上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应，生成CO2和H2O，同时将电子输送到外电路；而阴极上的O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子CO32-阳极：

H2+CO32-→CO2+H2O+2e-

总反应：H2+1/2O2+CO2(c)→H2O+CO2(a)工作原理熔融碳酸盐燃料电池关键组件催化剂：采用镍-铝合金，阴极材料以氧化镍为主。电解质载体：采用γ-LiAlO2和粘接剂在高温下烧结得到电解质载体。铝酸锂的结构强度高而且具有抗碳酸盐腐蚀的能力，符合熔融碳酸盐电解质载体所需的条件。双极板：通常由不锈钢或镍基合金制作而成，其具有极佳的稳定性，而且具有导电性好、热阻小的优点。熔融碳酸盐燃料电池特性VS优点

缺点

不需要贵金属做催化剂。可以使用CO含量高的燃料气体，如煤制气。二氧化碳排放量可以减少40%以上。排出高温气体余热可以回收使用或与汽轮机并联发电，复合循环发电的效率可提高到80%。1)高温以及电解质的腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性能有严格要求，电池的寿命因而也受到一定的限制。2)单体燃料电池边缘的高温密封技术难度大，增加了制造成本。目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5固体氧化物燃料电池采用在高温下具有传递氧离子(O2-)能力的固态氧化物作为电解质，通常直接以天然气、煤气、厌氧消化气等碳氢化合物作为燃料气体，以空气作为氧化剂。在阴极，空气中的氧原子与外电路提供的电子反应而成氧离子O2-，氧离子O2-经固体电解质由阴极迁移至阳极。在阳极，燃料气体与氧离子进行氧化反应生成水(或CO2)并释放出电子。阳极：

H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-阴极：1/2O2+2e-→O2-总反应：

mH2+nCO+1/2(m+n)O2→mH2O+nCO2工作原理固体氧化物燃料电池关键组件电解质：主要成分是三氧化二钇（Y2O3）和氧化锆（ZrO2）。催化剂：采用掺入锶的锰酸镧(Sr-dopedLaMnO3，LSM)作为阴极催化剂，LSM不但具有较高的催化活性，而且具有良好的导电性。结构型式：有管式结构和平板式结构两种。管式结构的优点是不需要进行阳极与阴极密封，然而工艺复杂、成本较高。平板式结构相对简单，制作成本低，但是高温密封困难，目前研究人员已经成功的开发出陶瓷的复合无机密封材料，解决了平板式SOFC高温密封的问题。固体氧化物燃料电池特性VS优点

缺点

电解质是固体，因此没有电解质蒸发和溢漏的问题。无需使用贵金属催化剂，而且本身具有内重整能力，故可以直接采用天然气、煤气或其它碳氢化合物作燃料，简化了电池系统。SOFC系统的设计简单，发电容量范围大，用途更加广泛。高温工作下的SOFC的缺点是对电池材料的要求高，价格较贵。SOFC的所有元件，包括电极、电解质以及双极板等，都必须具备稳定的物化特性，电极材料之间不能发生化学反应，而且彼此之间的热膨胀系数也要相互配合。目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池以氢气或净化重整燃料气为燃料气体，以空气或纯氧为氧化剂。在阳极，氢气在催化剂的作用下解离为氢离子与电子，氢离子通过质子交换膜往阴极移动，而电子则经由外电路对负载做功后移往阴极，在阴极，氧气、电子以及氢离子在催化剂的作用下发生还原反应产生液态水。阳极：

H2→2H++2e-

阴极：

1/2O2+2e-+2H+→H2O电池总反应：

H2+1/2O2→H2O工作原理质子交换膜燃料电池关键组件电解质：采用固态高分子聚合物，聚全氟磺酸膜是目前最常用的电解质。催化剂：目前则普遍采用纳米级的铂金属。电极：采用碳载铂技术，并添加粘结剂与质子传导剂，涂布在气体扩散层或质子交换膜上，然后再用热压的方法将气体扩散层与膜压合。膜电极（MEA）：是PEMFC的心脏部位，MEA是由氢阳极、质子交换膜和氧阴极热压而成的三合一组件。MEA不仅需要有传输反应气和水的通道，还需要有质子和电子的传输通道。质子交换膜燃料电池特性VS优点

缺点

电解质是固体，内部唯一的液体为水。结构简单，便于制造，电池寿命长。质子交换膜燃料电池的工作温度较低（<80℃）低温工作使其具有激活时间短的特性，能在几分钟内达到满载。1)催化剂成本高；膜的价格高，供应商少。2)必须在水的产