1、第六章 燃料電池,主要內(nèi)容,第一節(jié) 概述,燃料電池是一種通過化學(xué)反應(yīng)持續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 燃料電池是一次直接能量轉(zhuǎn)化裝置，他能將化學(xué)能不經(jīng)過熱能這一中間過渡的能量形式直接轉(zhuǎn)換為電能，從而避免了產(chǎn)生的熵增的過程，其轉(zhuǎn)換效率可不受卡諾循環(huán)效率的限制。,燃料電池的特點：,(1)能量轉(zhuǎn)換效率高。 燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)效率的限制，理論上其熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上，實際效率可達(dá)35%到60%。若采用熱電聯(lián)產(chǎn)以及能量回收技術(shù)，其燃料總利用率會更高。,圖1 各種能量轉(zhuǎn)換裝置的效率,（2）環(huán)境污染小。燃料電池按照電化學(xué)原理發(fā)電，不經(jīng)過熱機(jī)的燃燒過程，幾乎不排放 、

2、。 的排放量也較小。 （3）噪聲低。燃料電池系統(tǒng)的運動部件較少，運行時噪音很低。11MW的大功率磷酸燃料電池電站的噪聲可以控制在55dB以下。 （4）靈活性強(qiáng)。燃料電池的效率與其規(guī)模的相關(guān)度不強(qiáng)，可以在其半額定功率下仍保持較高的運行效率。還可以實現(xiàn)模塊化組裝。,第二節(jié) 燃料電池工作原理,一 燃料電池的基本反應(yīng),圖2 氫-氧燃料電池原理示意圖,以氫氧電池為例：,陽極反應(yīng)：,陰極反應(yīng)：,燃料電池總反應(yīng)：,圖3 氫-氧燃料電池能量平衡示意圖,向燃料電池供給氫和氧，而燃料電池傳輸出電功、熱量與水，能量平衡有：,（1）,二 燃料電池的電動勢基本方程式,三 燃料電池的熱量,四 燃料電池的有效效率,五 燃料

3、電池?zé)嵝逝c溫度的關(guān)系,第三節(jié)各類燃料電池簡介,一 堿性燃料電池,堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell）是最早研究成功并得以應(yīng)用的燃料電池。,20世紀(jì)60年代初，堿性燃料電池應(yīng)用于阿波羅號航天飛機(jī)，隨后被用于驅(qū)動各種設(shè)備。,AFC燃料電池摩托車,以電解質(zhì)為氫氧化鉀、燃料為氫、氧化劑為氧的燃料電池為例：,陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.828V：,陰極發(fā)生還原反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0.401V：,總反應(yīng)為：,電池理論標(biāo)準(zhǔn)電動勢為 0.401V-(-0.828V)=1.229V。,優(yōu)點：,（1）能量轉(zhuǎn)化效率高（60%）； （2）可用非鉑電催化劑，降低了電催化劑成本； （3）使用的

4、電極材料和電解質(zhì)較便宜，成本低。,缺點：,（1）采用空氣作為氧化劑或各種烴類的重整氣作燃料時，必須添加設(shè)備凈化其中的二氧化碳，增加了發(fā)電系統(tǒng)的造價； （2）反應(yīng)產(chǎn)物中有水生成，需及時排除，以維持其水平衡，在運行時排水方法及控制均較復(fù)雜。,20世紀(jì)70年代，世界各國開始致力于研究以酸為電解質(zhì)的燃料電池，以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell）首先獲得成功。,PAFC是所有燃料電池中技術(shù)最成熟、最接近實用的一種，可以制造出從幾十千瓦至數(shù)十兆瓦的多種規(guī)格的PAFC裝置。,目前，磷酸燃料電池具有較高效率，其發(fā)電系統(tǒng)具有比較好的環(huán)保性能，它的應(yīng)用市場會進(jìn)一步擴(kuò)大。,

5、二 磷酸燃料電池,工作原理：在電催化劑作用下，陽極（燃料極）氫氣釋放出電子成為氫離子，氫離子通過作為電解質(zhì)的磷酸溶液遷移到陰極（空氣極），電子則通過外電路移動到陰極；而陰極氧氣（氧化劑氣體）與氫離子和電子反應(yīng)生成水。這樣的電化學(xué)反應(yīng)使得外部電路產(chǎn)生電，并可輸出電功。其電極反應(yīng)式為：,陽極：,陰極：,總反應(yīng)：,PAFC工作原理圖,優(yōu)點：,缺點：,（1）電解質(zhì)為酸性，克服了AFC中的二氧化碳造成電解質(zhì)變質(zhì)的問題； （2）由于可以采用加壓水冷的冷卻方式，PAFC的冷卻系統(tǒng)可以做的較小，其排出的熱量可以作為空調(diào)的暖風(fēng)并應(yīng)用于熱水供應(yīng)。,（1）磷酸在低溫時離子導(dǎo)電性較差，且陽極催化劑容易受到CO毒化；

6、（2）酸性電解質(zhì)具有腐蝕作用； （3）催化劑采用貴金屬Pt，成本較高。,質(zhì)子交換膜燃料電池是20世紀(jì)60年代早期由美國通用電氣公司的研究人員Thomas Grubb和Leonard Niedrach發(fā)明的。,質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)曾用于美國宇航局首次載人航天飛船。,Gemini 7號飛船上的PEMFC,三 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）,由于當(dāng)時PEMFC的鉑催化劑量使用量較大等原因，PEMFC的研究工作在20世紀(jì)七八十年代基本上處于停滯狀態(tài)。,在加拿大的Ballard Power Systems和美國的Los Alamos國家實驗室的推動下，PEMFC的一系列問題得到解決并在20世紀(jì)90年

7、代迅速發(fā)展起來，尤其是在汽車領(lǐng)域更是世界各國爭先發(fā)展的對象。,PEMFC是目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種燃料電池。,工作原理,和 通過雙極板上的導(dǎo)氣通道分別到達(dá)電池的陽極和陰極，之后通過電極上的擴(kuò)散層、催化層到達(dá)質(zhì)子交換膜，在膜的陽極一側(cè)，氫氣在陽極催化劑作用下解離為 和 ， 以水合質(zhì)子 的形式，在質(zhì)子交換膜中轉(zhuǎn)移，最后到達(dá)陰極實現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電。這種轉(zhuǎn)移使陽極（負(fù)極）積累大量負(fù)電荷。,同時，陰極的 在催化劑作用下與陽極過來的 結(jié)合，使陰極（正極）積累大量正電荷。陽極與陰極之間產(chǎn)生電壓，輸出電功。,PEMFC工作原理圖,優(yōu)點,缺點,（1）室溫下快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長。 （2）不僅可用于建設(shè)

8、分布式電站，也特別適宜于用作可移動的動力源。,（1）質(zhì)子交換膜制備工藝復(fù)雜，成本高。 （2）反應(yīng)氣體中若含有CO會引起常規(guī)催化劑Pt中毒，需要額外添加除去CO的裝置，或開發(fā)新的催化劑。,MCFC是一種高溫燃料電池，使用熔融碳酸鹽混合物為電解質(zhì)（碳酸鋰&碳酸鈉或碳酸鋰&碳酸鉀）。,20世紀(jì)50年代初，MCFC由于其可作為大規(guī)模民用發(fā)電裝置而引起了全世界的重視。,20世紀(jì)80年代，被作為第二代燃料電池成為近期實現(xiàn)兆瓦級商品化燃料電池電站的主要研究目標(biāo)。,目前已有很多大規(guī)模的MCFC示范項目在歐洲、美國、日本等國家進(jìn)行。,四 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）,工作原理：,優(yōu)點,缺點,（1）使用的催化劑

9、以鎳為主，不適用貴金屬； （2）較高的操作溫度使MCFC能夠直接將天然氣作為燃料，而不需要對燃料進(jìn)行預(yù)處理。 （3）電池隔膜與電極制備方法工藝成熟，易于大批量生產(chǎn)。,（1）高溫下電池關(guān)鍵材料的腐蝕等技術(shù)問題需要解決； （2）MCFC運行過程中，熔融電解質(zhì)會有一定程度的流失，影響其壽命。,1899年，Nernst發(fā)現(xiàn)了固體氧化物電解質(zhì)材料，為SOFC奠定了基礎(chǔ)。,1905年，Haber發(fā)表了有關(guān)SOFC的第一個專利。,然而，極高的操作溫度會導(dǎo)致嚴(yán)重的材料問題，這使當(dāng)時的SOFC研究工作基本陷于停滯狀態(tài)。,直到1960年，能源危機(jī)使人們對燃料電池的研 究重新燃起興趣。同時，陶瓷材料在制備和生產(chǎn)上 的進(jìn)步，使SOFC得到更多的關(guān)注。,20世紀(jì)70年代末期，電解質(zhì)厚度已經(jīng)大幅下降，使SOFC在效率和性能上有了很大提高。,五 固體氧化物燃料電池（SOFC）,工作原理,幾種比較典型的燃料的陽極反應(yīng)式：,優(yōu)點,缺點,（1）全固體結(jié)構(gòu)，無使用液體電