燃料電池技術(shù)及應(yīng)用SlideBoom課件

1、固體電解質(zhì)在中學(xué)習(xí)題中已頻繁出現(xiàn)：【例題】、CO無(wú)色無(wú)味有毒，世界各國(guó)每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一種CO分析儀的工作原理如右圖所示，該裝置中電解質(zhì)為氧化釔氧化鈉，其中O2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動(dòng)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ B ）A負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CO+O 2 2e-CO2 B、工作時(shí)電極b作正極，O2-由電極a流向電極bC工作時(shí)電子由電極a通過(guò)傳感器流向電極bD傳感器中通過(guò)的電流越大，尾氣中CO的含量越高先從一道化學(xué)題說(shuō)起：能導(dǎo)電的物體稱(chēng)為導(dǎo)體。 第一類(lèi)導(dǎo)體（電子導(dǎo)體）：依靠電子傳送電流。金屬，石墨，金屬氧化物（如.PbO2,Fe3O4）等 第二類(lèi)導(dǎo)體（離子導(dǎo)體）：離子

2、的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。熔融電解質(zhì)，固體電解質(zhì)，電解質(zhì)溶液等再說(shuō)說(shuō)什么是導(dǎo)體及其分類(lèi)離子晶體高分子聚合物固體電解質(zhì)： 在電場(chǎng)作用下，由于離子移動(dòng)而具有導(dǎo)電性的固體物質(zhì)。在某些溫度下具有高的電導(dǎo)率(110-6 Scm）,故又稱(chēng)為快離子導(dǎo)體。然后對(duì)電解質(zhì)進(jìn)行重新定義：對(duì)電解質(zhì)，現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展無(wú)論在廣度還是在深度上都達(dá)到了從未有過(guò)的程度，如何充實(shí)和修正原有的電解質(zhì)定義已是迫在眉睫的任務(wù)。當(dāng)前中學(xué)教材(大學(xué)教材)和工具書(shū)中電解質(zhì)的定義仍局限于液體電解質(zhì)范疇，為此，我們建議應(yīng)將電解質(zhì)定義為：“在溶液中，熔融態(tài)或固態(tài)時(shí)具有顯著離子導(dǎo)電性能的物質(zhì)?！币员阍谛戮幗滩暮彤?dāng)前中學(xué)教學(xué)中有所反映和能夠引起同行的重視。燃料電

3、池美國(guó)加利福尼亞的燃料電池發(fā)電廠燃料電池的種類(lèi)直接甲醇燃料電池氫氧燃料電池固體氧化物燃料電池 一 直接甲醇燃料電池 直接甲醇燃料電池簡(jiǎn)稱(chēng)DMFC。它是以甲醇為燃料，通過(guò)與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲(chǔ)。 其電化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。直接燃料電池主要是甲醇在陽(yáng)極被電解為氫和二氧化碳，氫通過(guò)質(zhì)子膜到陰極與氧氣反應(yīng)并同時(shí)產(chǎn)生電流。間接燃料電池是先將甲醇進(jìn)行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過(guò)質(zhì)子膜電解槽反應(yīng)而獲得供給汽車(chē)動(dòng)力的電能。圖為世界最小的甲醇燃料電池。 直接甲醇燃料電池 最小的甲醇燃料電池 日本則武公司的產(chǎn)品在改進(jìn)后

4、，達(dá)到了160mW/cm2的高功率密度，性能約為原來(lái)的1.5倍。據(jù)分析，之所以能達(dá)到如此高的性能，主要原因在于使用了有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的混合技術(shù)來(lái)制作電解質(zhì)材料，從而大大減少了甲醇透過(guò)電解質(zhì)膜的“甲醇滲透”現(xiàn)象，并提高了電解質(zhì)膜的形狀穩(wěn)定性。則武公司從事燃料直接使用液態(tài)甲醇的DMFC電解質(zhì)膜的開(kāi)發(fā)，由于DMFC具有無(wú)需燃料改質(zhì)器、可在低溫下工作等優(yōu)點(diǎn)這種燃料電池以甲醇為能量來(lái)源。這種燃料電池以甲醇為能量來(lái)源，手機(jī)，筆記本電腦將不再用充電。二 氫氧燃料電池在酸性溶液中負(fù)極：H2+2H2O-2e2H3O+ （8-1）在堿性溶液中負(fù)極：H2+2OH-2e2H2O （8-3）因此，無(wú)論采用酸性還是堿性電解

5、液，氫氧燃料電池的總反應(yīng)可表示為： 2H2+O2-H2O這一反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氫的燃燒反應(yīng)，氫是一種燃料，而氧則是一種氧化劑。所以，在燃料電池中，負(fù)極上進(jìn)行燃料的氧化過(guò)程，而正極上進(jìn)行氧化劑的還原過(guò)程。燃料電池的負(fù)極常常又被稱(chēng)作“燃料電極”，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱(chēng)作“氧化劑電極”，燃料電池中常用的氧化劑是空氣中的氧。 在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出

6、，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。 再生氫氧燃料電池將水電解技術(shù)（電能2H2O2H2O2）與氫氧燃料電池技術(shù)（2H2O2H2O電能）相結(jié)合，氫氧燃料電池的燃料H2、氧化劑O2可通過(guò)水電解過(guò)程得以“再生”，起到蓄能作用。三 固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點(diǎn)外，它無(wú)材料腐蝕和電解液腐蝕等問(wèn)題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上； 它的燃料適用范圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣，碳?xì)浠衔铩H3、H2S等作

7、燃料。這類(lèi)電池最適合于分散和集中發(fā)電。其工作原理如圖所示： 熔融碳酸鹽燃料電池（一）工作原理 陰極： O2+ 2CO2+ 4e-2CO32-陽(yáng)極： 2H2+ 2CO32- 2CO2+ 2H2O + 4e總反應(yīng)： O2 2H2 2H2O由電極反應(yīng)反應(yīng)可知，MCFC的導(dǎo)電離子為CO32-。在陰極，二氧化碳為反應(yīng)物，在陽(yáng)極，二氧化碳為產(chǎn)物。固體電解質(zhì)分類(lèi)(1)陽(yáng)離子固體電解質(zhì)陽(yáng)離子固體電解質(zhì)中，陽(yáng)離子作為載流子占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 (2)陰離子固體電解質(zhì)陰離子固體電解質(zhì)中，陰離子作為載流子占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 (3)混合型固體電解質(zhì)混合型固體電解質(zhì)中，陰離子和陽(yáng)離子都具有不可忽視的導(dǎo)電性， 固體氧化物燃料電池原理圖

8、和一般燃料電池一樣，固體氧化物燃料電池也是由陽(yáng)極、陰極及兩極之間的電解質(zhì)組成, 但工作溫度相對(duì)較高，一般在8001000。在陽(yáng)極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如H2、CH4、煤氣等，具有催化作用的陽(yáng)極表面吸附燃料氣體例如氫，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化作用，使得O2得到電子變?yōu)镺2- ，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極。固體氧化物燃料電池是一種新型全固體燃料電池，具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用

9、全固體組件，不存在對(duì)漏液、腐蝕管理問(wèn)題；可以用天然氣作燃料，通過(guò)內(nèi)部或外部重整利用石化燃料，有利于環(huán)境保護(hù)；不需要使用貴金屬催化劑，從而節(jié)約了貴金屬；余熱溫度較高，可以直接利用；可忽略正負(fù)極極化損失，極化損失集中在電解質(zhì)電阻上;電解質(zhì)的性能較穩(wěn)定，抗毒性較好；連續(xù)供給燃料、氧化物，電池就可連續(xù)發(fā)電。我國(guó)硅酸鹽固體氧化物燃料電池取得突破目前各類(lèi)燃料電池中能量轉(zhuǎn)化效率最高的“陶瓷電池”，竟是一枚約1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。從中科院上海硅酸鹽研究所獲悉，該所固體氧化物燃料電池小組在國(guó)內(nèi)率先取得突破進(jìn)展，有能力將300片“陶瓷電池”層疊串聯(lián)，功率可滿(mǎn)足一戶(hù)普通家庭用電需求。一塊僅10厘米見(jiàn)方的陶瓷電

10、池單片。其關(guān)鍵夾層是一片以氧化鋯為主要成分的特種陶瓷，厚度為0.015毫米，比紙還薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金屬?gòu)?fù)合氧化物，作為正極；反面是一層較厚的綠色“金屬陶瓷”，作為負(fù)極。燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，已經(jīng)不能滿(mǎn)足便攜式筆記本電腦、移動(dòng)電話(huà)、PDA等電子設(shè)備的要求了。例如：一臺(tái)新型的P4筆記本電腦平均功耗在100W左右，若工作10h則需1kWh，用7.4Wh的鋰離子聚合物電池供電需140塊，重量可達(dá)56kg；高性能的CPU要求400A/s的轉(zhuǎn)換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達(dá)到1000A/s和150A；當(dāng)移動(dòng)電話(huà)增加接

11、收地面數(shù)字電視功能，采用大型真彩顯示屏?xí)r，其供電量可增加到現(xiàn)在的（通常為700mAh）34倍，達(dá)2Ah以上。這一切都對(duì)微電子產(chǎn)品的供電系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。 燃料電池電子設(shè)備新的水燃料電池將是世界上最小的具備2瓦輸出能力的電池。 這種電池利用DoCoMo公司的recharger技術(shù)和Aquafairy公司的薄膜技術(shù)將水中的氫分離出來(lái)， 而放電時(shí)氫也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)重新變成水。 同樣尺寸的水燃料電池所能提供的電能是甲醇燃料電池的8倍， 也就是說(shuō)水燃料電池完全可以做得非常小以適應(yīng)手機(jī)的尺寸。 與鋰離子電池相比， 水燃料電池的充電時(shí)間相當(dāng)， 容量則大上數(shù)倍， 因此手機(jī)的待機(jī)時(shí)間也可以延長(zhǎng)至數(shù)星期乃至一兩個(gè)

12、月， 通話(huà)時(shí)間也可以不再用小時(shí)計(jì)算。 燃料電池電子設(shè)備應(yīng)用東芝近年來(lái)，在各種展會(huì)上都會(huì)展出其設(shè)計(jì)研發(fā)的筆記本燃料電池，新型燃料電池采用甲醇作為燃料，通過(guò)化學(xué)反映產(chǎn)生電能，與采用鋰電池的東芝公司自己生產(chǎn)的筆記本電腦相比，50CC的甲醇可以連續(xù)使用5小時(shí)，超過(guò)鋰電池兩倍以上。 燃料電池的另一個(gè)好處時(shí)只需填充燃料，而不必像鋰電池那樣再次充燃料電池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧氣的化學(xué)反映產(chǎn)生電能，排出物就是水，屬于無(wú)公害能源。東芝的燃料電池采用甲醇與氧氣直接產(chǎn)生化學(xué)反映的“直接反映甲醇”。東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機(jī) 燃料電池電子設(shè)備日前，韓國(guó)的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持續(xù)使用10小時(shí)

13、的筆記本燃料電池。LG電子對(duì)外揭開(kāi)了未來(lái)在筆記本上使用的甲醇燃料電池的神秘面紗，并宣布在今年的后半旬將全面商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，該燃料電池總體上比較便于攜帶。燃料電池電子設(shè)備日立終于在近期開(kāi)發(fā)出如AA電池一般大小的燃料電池內(nèi)藏50立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產(chǎn)品堅(jiān)持使用6-8個(gè)小時(shí)。而據(jù)說(shuō)日立正在開(kāi)發(fā)能讓甲醇濃縮的技術(shù)，到時(shí)候電池將會(huì)有更長(zhǎng)的使用時(shí)間。燃料電池在汽車(chē)上應(yīng)用布什：美國(guó)要戒“石油癮” 在加州力推氫能源汽車(chē) 美國(guó)總統(tǒng)布什日在加利福尼亞州首府發(fā)表講話(huà)，呼吁國(guó)人改變習(xí)慣，盡快從傳統(tǒng)的汽車(chē)轉(zhuǎn)換到更清潔的氫能源汽車(chē)。布什在當(dāng)天在參觀“加州燃料電池伙伴計(jì)劃”時(shí)他說(shuō)，如今原油價(jià)格飛漲，迫使消費(fèi)者

14、為汽油付出高價(jià)，損害了美國(guó)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，加重了環(huán)境污染，也使美國(guó)更嚴(yán)重地依賴(lài)外國(guó)石油資源供應(yīng)，因此美國(guó)必須改變“對(duì)石油上癮”的現(xiàn)狀。從年開(kāi)始，美國(guó)在年內(nèi)撥款億美元資助氫燃料電池的研究，迄今已取得一定成果。本田的氫動(dòng)力車(chē)FCX 本田的氫動(dòng)力車(chē)已經(jīng)在美國(guó)加利福尼亞州獲準(zhǔn)上市。 燃料電池在汽車(chē)上應(yīng)用上海神力科技有限公司120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)上海神力科技有限公司承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目神力公司燃料電池車(chē) 神力公司燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的技術(shù)路線，不同于國(guó)際知名的大公司如加拿大巴拉德公司(Ballard Power Systems)、美國(guó)通用汽車(chē)公司(GM)等的高壓運(yùn)行技術(shù)

15、，自主開(kāi)發(fā)了常壓運(yùn)行的燃料電池技術(shù)，系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，安全性、可靠性高，且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已申請(qǐng)中國(guó)、美國(guó)專(zhuān)利102項(xiàng)。自2002年起，神力公司為清華大學(xué)的燃料電池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)發(fā)動(dòng)機(jī)。凈輸出功率 100KW 最大穩(wěn)定輸出功率 120KW 峰值輸出功率 150KW 電壓 300-480V(可以根據(jù)用戶(hù)要求調(diào)整) 電流 0-400A 能量轉(zhuǎn)化效率 45%-52% 燃料 存儲(chǔ)方式 高壓鋁內(nèi)膽、碳纖維纏繞環(huán)氧樹(shù)脂浸漬的儲(chǔ)氫罐 燃料類(lèi)型 氣態(tài)氫 操作環(huán)境環(huán)境溫度 0-50 相對(duì)濕度 0-95% 工作溫度 60-80 工作壓力 常壓 物理特性長(zhǎng)寬高 1040mm680mm690mm*2 重量 560kg(不包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)) 噪聲 76dB 120KW第三代燃料電池大巴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)語(yǔ)燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展，將會(huì)給便