1、燃料電池專業(yè)培訓(xùn)教案燃料電池的概述燃料電池full Cell是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上和普通電池battery完全不同。燃料電池的活性物質(zhì)是存儲(chǔ)在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發(fā)電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質(zhì)一旦消耗完，電池的壽命就終止。燃料電池的組成燃料電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)，水管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。燃料電池的種類堿性燃料電池AFCalkaline fuel cell)磷酸型燃料電池(PAFC) (phosphorous acid f

2、uel cell)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) (molten carbonate fuel cell)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) (proton exchange membrane fuel cell)固體氧化物燃料電池(SOFC) (solid oxide fuel cell)燃料電池類型堿性燃料電池磷酸型燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池英文簡(jiǎn)稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀溶液磷酸質(zhì)子滲透膜碳酸鉀固體氧化物燃料純氫天然氣，氫氫、甲醇、天然氣天然氣、煤氣、沼氣天然氣、煤氣、沼氣氧化劑純氧空氣空氣空氣空氣效率60%90%37%42

3、%43%58%50%50%65%使用溫度601201602206012060010006001000堿性燃料電池工作原理使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，陽極反響：2H2 + 4OH- 4 H2O + 4e-陰極反響：O2 + 2H2O + 4 e- 4OH-總反響：O2+2H2 2H2O堿性燃料電池的工作溫度大約80。堿性燃料電池工作示意圖AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計(jì)要求電極具有高度穩(wěn)定性的氣、液、固三相界面。雙孔結(jié)構(gòu)電極 電極分兩層，粗孔層和細(xì)孔層，粗孔層與氣室相連，細(xì)孔層與電解質(zhì)接觸。電極工作時(shí)，粗孔層內(nèi)充滿反響氣體，細(xì)孔層內(nèi)填滿電解液。細(xì) 孔層的電解液浸潤(rùn)粗孔層，液氣界

4、面形成并發(fā)生電化學(xué)反響，離子和水在電解液中傳遞，而電子那么在構(gòu)成粗孔層和細(xì)孔層的合金骨架內(nèi)傳導(dǎo) 。 黏結(jié)型電極 是將親水的導(dǎo)電體 如電催化劑材料鉑 碳 與具有粘結(jié)能力的防水劑 如聚四氟乙烯乳液 按比例混合制成電極。 它在微觀尺度上是相互交錯(cuò)的兩相體系，由防水劑構(gòu)成的疏水網(wǎng)絡(luò)為反響氣體提供內(nèi)部的擴(kuò)散通道；由電催化劑構(gòu)成 的親水網(wǎng)絡(luò)可以被電解液充滿浸潤(rùn)，它為水和OH- 提供通道的同時(shí)，也為電子的傳導(dǎo)提供通道。 AFC的催化劑常用的催化劑有貴金屬，包括鉑、銠、金、銀貴金屬合金過渡金屬，如鈷、鎳和錳等。對(duì)催化劑的布置形式直接制成電極如采用高比外表的鎳作陽極，銀粉作陰極，電極本身具有催化性能用高比外表的

5、碳材料做電極基體，將貴金屬催化劑分散到碳基體上，形成具有催化活性的電極。AFC的隔膜材料一般采用石棉膜由石棉纖維制備，分子式為3MgO2SiO22H2O石棉膜化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿和有機(jī)物腐蝕，具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，是電子的絕緣體。飽浸氫氧化鉀水溶液的石棉膜是離子 (OH) 的良好導(dǎo)體，并阻止水分子通過。AFC循環(huán)系統(tǒng)AFC的排水方法反響氣體循環(huán)法通過循環(huán)一個(gè)或兩個(gè)電極的反響氣體，在外部冷凝成液態(tài)水排出靜態(tài)排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置一多孔排水膜，生成的水通過濃差擴(kuò)散通過氫氣室，進(jìn)入排水膜在排水膜外側(cè)冷凝并通過排水腔排出冷凝排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置冷凝板，外側(cè)的冷凝腔內(nèi)流過冷卻劑，生成的水災(zāi)冷凝板上冷凝成液

6、態(tài)排出電解質(zhì)排水法通過電解液的外部循環(huán)蒸發(fā)排水AFC的性能優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高 通常單位輸出電壓為0.80.95V，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%70%。采用非鉑系催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定缺點(diǎn)：氧化劑中必須不含有CO2。燃料中必須不含CO2電池電化學(xué)反響生成的水必須及時(shí)排出，維持水平衡。磷酸鹽燃料電池PAFC)PAFC 是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池 。 PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣作氧化劑，浸有濃磷酸的SiC 微孔膜作電解質(zhì) ， Pt/C 作催化劑 ，工作溫度 200 。PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。PAFC的工作原理CH4+2H2O4H2+CO2CH3OH+H2O 3H2+CO

7、2陽極：H22H+2e-陰極反響：1/2O2+2H+2e-H2O陽極反響：H22H+2e-陰極反響：1/2O2+2H+2e- H2O總反響1/2O2+2H2 H2OPAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAFC的工 作溫度一般為 200左右 ，能量轉(zhuǎn)化率約在 40%，為保證電池工作穩(wěn)定，必須連續(xù)地排除廢熱。 PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱水冷可采用沸水冷卻和加壓冷卻。沸水冷卻時(shí)，水的用量較少，而加壓冷卻那么要求水的流量較大。水冷系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求高，以防止水對(duì)冷卻板材料的腐蝕。水中的重金屬含量要低于百萬分之一，氧含量要低于十億分之一 空氣冷卻 采用空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定。但

8、氣體熱容低，造成空氣循環(huán)量大，消耗動(dòng)力過大。所以氣冷僅適用于中小功率的電池組 。 絕緣油冷卻 采用絕緣油作冷卻劑的結(jié)構(gòu)與加壓式水冷相似，油冷系統(tǒng)可以防止對(duì)水質(zhì)高的要求，但由于油的比熱小，流量遠(yuǎn)大于水的流量。 PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑Pt/C催化劑是PAFC常用的電極活性材料。鉑和過渡金屬V、Cr、Co等和合金電極結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層平整層催化層電解質(zhì)材料 濃磷酸溶液隔膜材料 微孔結(jié)構(gòu)隔膜，由SiC和聚四氟乙烯組成。雙極板雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩極導(dǎo)通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，外表平整無滑，以利于電池各部件接觸均勻。 為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。 PAFC應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)子交

9、換膜燃料電池PEMFCPEMFC 以全氟磺酸型固 體聚合物為電解質(zhì) ， 以 Pt/C 或 Pt-Ru/C為電催化劑，燃料氫或凈化重整氣，氧化劑采用空氣或純氧， 雙電極材料目前采用石墨或金屬。PEMFC的工作原理陽極反響：H22H+2e-陰極反響：1/2O2+2H+2e- H2O電池反響：H2+1/2O2 H2OPEMFC的結(jié)構(gòu)PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板電催化劑材料 主要以鉑為主。碳載鉑合金催化劑 合金元素主要有鉑、鉻、錳、鈷和鎳等，鉑在合金元素中的比例一般在 35% 65% 之間 。 納米級(jí)顆粒Pt/C催化劑PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)

10、散電極，由催化層和擴(kuò)散層構(gòu)成擴(kuò)散層起支撐催化層的作用，同時(shí)還有 收集電流，為電化學(xué)反響提供電子通道，氣體通道和排水通道等功能。催化層是電極的核心局部，電池的電化學(xué)反響發(fā)生在催化層。 擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理將原料碳紙屢次浸入聚四氟乙烯 PTFE 乳液中，用 稱重法記錄浸入的聚四氟乙烯乳液的量。 焙燒處理在 330 340的溫度下，焙燒浸好的碳紙，排出其中浸入的聚四氟乙烯乳液所含的外表活性劑，同時(shí)使聚四氟乙烯熱熔燒結(jié)并均勻分散在碳紙的纖維上，實(shí)現(xiàn)憎水。 整平處理將水或水乙醇的混合液作溶劑，參加炭黑與 PTFE配成的質(zhì) 量比為:的溶液，用超聲波將溶劑與溶液振蕩均勻。當(dāng)混合物靜止沉淀后，棄去上清液，

11、取其沉降物涂到憎水處理的碳紙上，實(shí)現(xiàn)其外表平整。 其它處理催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類 ：經(jīng)典疏水電極催化層制備工藝薄層親水電極催化層制備工藝。 膜電極三合一組件與AFC 、 PAFC 相比 ，PEMFC保持電極與膜的良好接觸要困難得多。PEMFC的膜為高分子聚合物，僅靠電池組裝力不能使電極與離子交換膜之間有良好的接觸，同時(shí)質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極-膜-電極的三合一組件。具體做法是將全氟磺酸樹脂玻璃化溫度下施加一定壓力，將以參加全氟磺酸樹脂的氫電極 陽極 、隔膜( 全氟磺酸型質(zhì) 子交換膜) 和已參加全氟磺酸樹脂的氧電極陰極壓和在一起，形成了電極

12、-膜-電極三合一組 件 ， 影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會(huì)造成電池內(nèi)阻的差異。研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜越薄，越有利于提高電極的催化活性。 提高電池的操作溫度，有利于提高電化學(xué)反響速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜內(nèi)的傳遞速度?？紤]到質(zhì)子交換膜為有機(jī)物，操作溫度通常在室溫到90。 操作壓力為PH2/PO2的壓力比值。如果增加氣體壓力，可以改變氫、氧氣體的傳質(zhì)，影響電池的性能。同時(shí)，會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的能耗。 質(zhì)子交換膜中的水含量影響電解質(zhì)膜的電導(dǎo)，膜如果失水，膜電導(dǎo)會(huì)下降。對(duì)反響氣體增溫可以防止膜失水，以確保電池正常運(yùn)行。 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC) MCFC屬高溫燃料電池，工作溫度是 650

13、700。與低溫燃料電池相比，MCFC的本和效率很有競(jìng)爭(zhēng)力，概括起來有四大優(yōu)勢(shì)： 在工作溫度下，MCFC可以進(jìn)行內(nèi)部重整燃料，例如在陽 極反響室進(jìn)行甲烷的重反響，重整反響到所需熱量由電池反響的余熱提供；MCFC的工作溫度為650700，其余熱可用來壓縮反響氣體以提高電池性能，可以用于供暖；燃料重整時(shí)產(chǎn)生的CO 可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為高溫燃料電池，不會(huì)受到CO的中毒催化劑的威脅；催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。 MCFC 的工作原理 MCFC 的工作原理MCFC的陰極反響：O2+2CO2+4e-2CO32-陽極反響：2H2+2CO32- 2CO2+2H2O+4e-電池反響：O2+2

14、H2 2H2OMCFC的結(jié)構(gòu)MCFC的性能 MCFC的制備工藝 隔膜的制備 膜主要采用偏鋁酸鋰(LiAlO2) 膜，隔膜材料為L(zhǎng)iAlO2粉體。為了保證隔膜的質(zhì) 量，必須嚴(yán)格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏鋁酸鋰隔膜的制備方法有熱壓法、電沉積法、真空鑄造法、冷熱液法和帶鑄法等。其中帶鑄法既適宜于大批量生產(chǎn)，又能保證質(zhì)量，目前廣泛被采用。 MCFC的制備工藝 陰極的制備 原料選用羰基法制備的Ni粉，也可以選用高溫合成法制備的Ni-Cr合金粉 Cr的含量為 8% ， 參加一定比例的膠黏劑、增塑劑和分散劑，用正丁醇和乙醇作溶劑調(diào)成漿料，用帶鑄制膜。陽極的制備 原料選用 LiCoO2、LiMnO

15、2 或 CeO2 等，同樣采用帶鑄法制成陽極。膜厚度為 0.40.6mm ， 平均孔徑為 10m ，孔隙率為 50%70%左右。 MCFC的制備工藝 雙極板材料 雙極板的原材料主要為不銹鋼或各種鎳合金 。 雙極板有三個(gè)主要作用 ：隔開氧化劑 O 2 或空氣 與復(fù)原劑天然氣 、重整氣；提供氣體流動(dòng)通道 ；集流導(dǎo)電 。 MCFC 的研究趨勢(shì) 陰極的溶解解決陰極溶解的方法主要有 ： 抑制NiO的溶解 ， 包括向電解質(zhì)中參加BaCO3、 SrCO3，改變電解質(zhì)的組分配比； 改變陰極成分 ， 向其中參加氧化鈷、氧化銀或稀土氧化物 ； 改變陰極材料， 用 LiCoO2 、 LiMnO2 LiFeO2、Sn

16、O2 、 Sb2O3 、CuO 、 CeO2 取代做陰極 ； 降低氣體工作電壓 ， 減緩NiO的溶解 。 MCFC 的研究趨勢(shì) 陽極的蠕動(dòng) 在高溫條件下，復(fù)原氣氛中的鎳還發(fā)生蠕變，結(jié)果導(dǎo)致電池的機(jī)械強(qiáng)度降低。 向鎳陽極中參加 Cr、Al 等元素 用 LiAlO2 或 SrTiO3 作電極的基體材料，其外表鍍一層鎳或銅，然后熱壓燒成電極，目前普遍采用Ni-Cr 或 Ni-Al合金作MCFC的陽極 。電池雙極板材料的防腐 固體氧化物燃料電池 SOFC SOFC的電解質(zhì)是固體氧化物 ， 如 ZrO2 、 Bi2O3 等 ， 其陽 極是Ni-YSZ陶瓷 ， 陰 極目前主要采用 錳酸鑭 (LSM，La1