精選燃料電池及其發(fā)展講義

（優(yōu)選）燃料電池及其發(fā)展當前1頁，總共90頁。9.1概述當前2頁，總共90頁。一、工作原理（workprinciple)反應物燃料（如H2)與氧化劑（如O2)發(fā)生電化學反應獲得電能的裝置當前3頁，總共90頁。1.Structureandreactions

workingprincipleoffuelcell當前4頁，總共90頁。2.Contrastwithconventionalchemicalbatteries1）常規(guī)電池-儲能裝置2）燃料電池-能量轉換裝置當前5頁，總共90頁。3.

contrastwithheatengine熱機

熱力發(fā)電機：燃料—蒸汽—汽輪機—發(fā)電機—電能（40%）燃料—內(nèi)燃機—發(fā)電機—電能燃料電池：燃料—燃料電池—電能（40-60%）

電池反應法拉第效率—副反應實際輸出電壓與可逆電勢差—極化生成物為液態(tài)—相轉變當前6頁，總共90頁。二、特點（Characteristics)1.不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高；2.清潔能源；3.負載響應速度快；4.良好的建設、運行和維護特性，應用范圍廣闊；5.燃料來源廣泛，副產(chǎn)物水和熱可回收利用。不足：價格昂貴，高溫時壽命和穩(wěn)定性不理想，缺少完善的燃料供應體系當前7頁，總共90頁。燃料電池能量效率當前8頁，總共90頁。當前9頁，總共90頁。燃料電池低噪聲當前10頁，總共90頁。圖9-3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成燃料預處理單元燃料電池單元直交流變換單元熱量管理和控制單元天然氣甲醇重油蒸餾油生物質(zhì)……富氫氣體直流交流余熱空氣或純氧三、FC系統(tǒng)（Fuelcellsystems)

當前11頁，總共90頁。H2的來源1.電解水2.重整：用化石燃料及醇類等含氫化合物通過化學反應制備H2的過程。甲醇天然氣、丙烷氣、丁烷氣汽油、煤油等石油制品3.煤炭氣化4.從廢氣、垃圾、家畜糞便中提取甲烷進行重整當前12頁，總共90頁。四、分類（Classification）所用燃料：直接型，間接型，再生型工作溫度：低溫，中溫，高溫，超高溫電解質(zhì)類型：

當前13頁，總共90頁。低中溫型

堿性燃料電池（AFC）

磷酸燃料電池（PAFC）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

[直接甲醇燃料電池（DMFC）]高溫型

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）(p182Table10-2)當前14頁，總共90頁。堿性燃料電池（AFC）穩(wěn)定的氫氧化鉀電解質(zhì)主要為空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水磷酸燃料電池（PAFC）使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中?？捎米鞴财嚨膭恿?，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學校和小型電站提供動力。五、發(fā)展和應用

（developmentandapplications)當前15頁，總共90頁。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸（poly[perfluorosulphonic]acid）Nafion膜，質(zhì)子能夠滲透但不導電。汽車和家庭應用的理想能源直接甲醇燃料電池（DMFC）

-甲醇為燃料

-適合車載和便攜式設備

當前16頁，總共90頁。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

使用熔融的鋰鉀碳酸鹽或鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當溫度加熱到650℃時，這種鹽就會溶化.。較高的發(fā)電效率對于大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機則具有較大的吸引力。固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，而不用使用液體電解質(zhì)。其工作溫度位于800-1000℃之間?？晒┕I(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時也具有為車輛提供備用動力的潛力。當前17頁，總共90頁。美國加利福尼亞的燃料電池發(fā)電廠當前18頁，總共90頁。當前19頁，總共90頁。3CProductComputer,Communication,ConsumerElectronicProduct（計算機類、通訊類、消費類電子產(chǎn)品）當前20頁，總共90頁。當前21頁，總共90頁。溫度系數(shù)9.2燃料電池熱力學基礎壓力系數(shù)一、燃料電池電動勢當前22頁，總共90頁。二、燃料電池效率電池實際效率電池理論效率：電流效率（法拉第效率）電壓效率當前23頁，總共90頁。9.3燃料電電化學動力學基礎一、燃料電池極化行為當前24頁，總共90頁。二、燃料電池反應機理1、氫的氧化機理2、甲醇的氧化機理3、氧的還原機理當前25頁，總共90頁。1、氫氣的陽極氧化

其具體的反應機理可能有如下幾種方式：在酸性溶液中：途徑一

途徑二當前26頁，總共90頁。在堿性溶液中：途徑一

途徑二當前27頁，總共90頁。2、甲醇的陽極氧化

碳載Pt-Ru二元催化劑目前是直接甲醇燃料電池最成功的催化劑。其他一些添加金屬如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。

當前28頁，總共90頁。3、氧氣還原

二電子反應途徑：一類是氧分子首先得到兩個電子還原為H2O2，然后再進一步還原為水，常被稱為“過氧化氫中間產(chǎn)物機理”。四電子反應途徑：氧分子連續(xù)得到4個電子而直接還原為水（酸性電解質(zhì)）或OH-（堿性電解質(zhì)），常被稱為“直接還原機理”。當前29頁，總共90頁。還原過程復雜的原因⑴有4個電子參加反應，在反應歷程中往往出現(xiàn)多種中間產(chǎn)物，因此，催化劑和反應條件不同，可以有不同的反應機理和控制步驟。⑵氧還原可逆性很差，氧還原反應的交換電流密度很小。因此，具有很高的過電勢，氧的還原反應速率很低，雜質(zhì)影響大。⑶氧電極反應的電勢比較高，大多數(shù)金屬在水溶液中不穩(wěn)定，在電極表面容易出現(xiàn)氧和各種含氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使電極表面狀態(tài)改變，導致反應歷程更為復雜。當前30頁，總共90頁。三、三相多孔電極

氣體向電極表面輸送過程：（1）氣體溶解（2）氣體向電極表面附近的傳質(zhì)過程（3）氣體穿越雙電層氣、液、固三相的界面處發(fā)生，氣體反應的消耗以及產(chǎn)物的疏散都需要擴散來實現(xiàn)。擴散是氣體電極的重要問題。當前31頁，總共90頁。1.氣體擴散電極的特點

氣體擴散電極的理論基礎是“薄液膜理論”

圖2-8鉑電極從4mol/LH2SO4溶液中提出對氫氧化電流的影響圖2-9電極上的薄膜當前32頁，總共90頁。氣體擴散電極的基本特點:極限電流密度比全浸沒式電極大為增加高效氣體電極——大量薄液膜:氣體容易到達且與本體溶液連通較好當前33頁，總共90頁。（1）雙層電極電極由金屬粉末和適當?shù)陌l(fā)孔性填料分層壓制及燒結制成?？拷鼩怏w的一側是較大孔徑的“粗孔層”(30-60微米)，靠近電解液的一側是較小孔徑的“細孔層”(10-20微米)

(2)（微孔）隔膜電極

電池由兩片用催化劑微粒制成的電極與微孔隔膜層結合而成(如石棉紙膜)。

當前34頁，總共90頁。圖2-10雙層電極示意圖

圖2-11微孔隔膜電極當前35頁，總共90頁。(3)疏水（防水、增水）電極通常用催化劑粉末與疏水性材料混合后輾壓、噴涂及經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗笾瞥?。常用的疏水材料是聚乙烯、聚四氟乙烯等?/p>

圖2-12疏水電極示意圖當前36頁，總共90頁。2.氣體擴散電極中的物質(zhì)傳遞氣相中的物質(zhì)傳遞液相中的物質(zhì)傳遞引用極限電流密度估計氣相物質(zhì)傳遞氣相傳質(zhì)速度比較大改善氣體擴散，改進電極結構：減薄透氣層厚度、加大孔率、減小孔的曲折系數(shù)當前37頁，總共90頁。A）.電化學極化－歐姆極化控制毛細孔內(nèi)，電流比較集中在靠近電解液一端，越往孔的深處，電流分布越小，甚至為零。電流密度越大，這種電流分布不均勻性越嚴重。3.氣體擴散電極中電流分布當前38頁，總共90頁。降低極化的措施：合理選擇電解液；改變催化層的結構(如增大催化層的孔率和孔徑，減小毛細孔的彎曲程度等)；采用高效催化劑，氣體擴散電極的催化層常常做得很薄，因為電化學反應主要集中在催化層面向電解液一側很薄的區(qū)域內(nèi)，厚的催化層對電極性能的改善并沒有貢獻。當前39頁，總共90頁。B）.擴散控制電流分布集中在毛細孔面向氣體的一側，而在毛細孔面向電解液一側的孔壁上幾乎沒有電化學反應發(fā)生。實際：擴散-歐姆控制

改善氣體擴散：增加憎水劑的含量，但液孔數(shù)量下降，液相電阻升高。

減小歐姆極化：減小憎水劑的含量，氣孔減小，液孔增加，則液相電阻下降，氣體擴散阻力增加。當前40頁，總共90頁。電化學極化-歐姆極化控制：電流多分布于靠近電解液一側擴散控制：電流多分布于靠近氣體的一側實際：電化學反應最強烈之處，介于二者之間思考：

高效氣體電極特點？氣體擴散電極分為幾種？其理論基礎？當前41頁，總共90頁。(-)H2|KOH(或NaOH)|O2(或脫CO2空氣)(+)

9.4堿性燃料電池AFC當前42頁，總共90頁。當前43頁，總共90頁。當前44頁，總共90頁。一、電極和催化劑

⒈催化劑陽極：鉑及其合金，雷尼（Raney）鎳粉基體材料陰極：銀基催化劑粉末（如Ag/C）當前45頁，總共90頁。2.電極1）多孔結構，比表面積大2）三相界面處液相傳質(zhì)層很薄，Jd大，濃度極化小3）使用催化劑，J0大4）通過結構設計使反應區(qū)保持穩(wěn)定當前46頁，總共90頁。圖9-8雙孔結構堿性燃料電池電極圖9-9堿性燃料電池憎水電極當前47頁，總共90頁。當前48頁，總共90頁。當前49頁，總共90頁。二、電解質(zhì)和基體

1.電解質(zhì)：KOH水溶液：其濃度一般為（6～8）molL-1。電解質(zhì)存在方式：自由型和固定型。自由型電解質(zhì)（循環(huán)式）：通常在動力泵的作用下不斷通過燃料電池，帶走電化學反應產(chǎn)生的水和熱，然后將水和熱從所排出電解質(zhì)中去除后再循環(huán)回燃料電池。固定型電解質(zhì)通常固定地保持在多孔的電解液基體材料中

當前50頁，總共90頁。2、基體材料石棉膜：主要成分為：3MgO?2SiO2?2H2O鈦酸鉀（K2TiO3）膜由高溫合成的鈦酸鉀耐氧化，且不溶于KOH溶液中，故壽命可以大大提高，可達石棉膜的5倍。當前51頁，總共90頁。三、堿性燃料電池的排水和排熱

靜態(tài)排水：濃差遷移，減壓蒸發(fā)動態(tài)排水：用泵循環(huán)氫氣或電解質(zhì)，將水蒸氣帶出燃料電池，然后將氫氣流或電解質(zhì)中的水通過冷凝或蒸發(fā)等過程去除，所回收的氫氣或電解質(zhì)又可以循環(huán)回燃料電池使用。排熱通常與排水過程結合進行當前52頁，總共90頁。四、堿性燃料電池的性能及其影響因素

1、溫度對電池性能的影響

60～70℃，小于90℃2、壓力對燃料電池性能的影響工作壓力維持在（0.4～0.5）MPa

一方面：增加工作壓力會改善堿性燃料電池性能一方面：材料、重量、氣體涌入電解質(zhì)區(qū)、氫氧混合

當前53頁，總共90頁。3、反應氣體組成的影響1）OH-濃度降低，影響電化學反應速率；2）電解質(zhì)粘度增加，降低了離子的擴散速率和極限電流3）生成碳酸鹽，會沉積在氣體擴散電極的氣孔中阻礙反應氣體的傳輸，還會造成氧氣在電解質(zhì)中的溶解度下降CO2的影響：當前54頁，總共90頁。9.4PAFC(-)H2(或含有CO2的重整氣)|濃H3PO4|O2(或空氣)(+)

當前55頁，總共90頁。圖9-10磷酸燃料電池結構和工作原理電流氫氣水氧氣陽極陰極磷酸負載H當前56頁，總共90頁。雙極板（導電隔板）作用與功能：集流作用，電的良導體阻氣功能，分隔氧化劑與還原劑導熱作用，熱的良導體通過流場確保氣體均勻分布有抗腐蝕能力當前57頁，總共90頁。當前58頁，總共90頁。當前59頁，總共90頁。流場：雙極板上要加工各種形狀的溝槽，為燃料提供進出的通道。點狀、平行、蛇形、網(wǎng)狀溝槽當前60頁，總共90頁。當前61頁，總共90頁。當前62頁，總共90頁。9.5PEMFC(-)H2(或含有CO2的重整氣)|全氟磺酸固體聚合物電解質(zhì)|O2(或空氣)(+)當前63頁，總共90頁。當前64頁，總共90頁。當前65頁，總共90頁。一、質(zhì)子交換膜1.作用：質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)為質(zhì)子傳遞提供通道；同時作為隔膜隔離陰陽極反應氣體。質(zhì)子交換膜的性能在很大程度上決定了整個燃料電池的性能。2.技術要求：高質(zhì)子電導率、低氣體透過率、良好的熱和化學穩(wěn)定性以及足夠的機械強度。當前66頁，總共90頁。當前67頁，總共90頁。當前68頁，總共90頁。當前69頁，總共90頁。Thefigureillustratesatypicalperformancecurveforastackinanominal250-Wattsystem.Thisstack,showninthefigurehasanactiveareaof77cm2percellcentimeter.Hydrogenisthefuelandtheairisatatmosphericpressure.當前70頁，總共90頁。當前71頁，總共90頁。當前72頁，總共90頁。當前73頁，總共90頁。當前74頁，總共90頁。ThisunitwasassembledtofitwithinthedimensionsofmilitaryBatteryBA-5590(seeSec.6.4.2).Thefuelcellisratedatapproximately20Wattscontinuousand40Wattspeak.Thecanisterdelivershydrogenforabout110Watt