工業(yè)催化燃料電池講解課件

燃料電池

柯濤張志鵬施民輝劉春燃料電池柯濤1燃料電池的簡單介紹燃料電池的簡單介紹2

2008年以來，最新一代的本田和通用氫燃料電池汽車示范工程沖擊著商業(yè)化之路。通用在紐約、加利福尼亞州和華盛頓特區(qū)投放了由100輛雪佛蘭Equinox氫燃料電池汽車組成的車隊。

2008年以來，最新一代的本田和通用氫燃料電池汽32009年5月26日，由世界七大汽車制造商制造的12輛各種氫燃料電池轎車和燃料電池SUV從美國加利福尼亞州的圣地亞哥出發(fā)，進行了為期9天的氫公路旅行，行程約2700km沿途停靠28個城市，終點為加拿大溫哥華市，氫燃料電池車的優(yōu)異性能給許多人留下了深刻的印象。2009年5月26日，由世界七大汽車制造商制造的12輛4

在德國，奔馳公司發(fā)布了最新的燃料電池車200系列產品和Citaro柴油-電力混合動力車和質子動力的三重混合動力客車（由燃料電池、電池和超電容器供電）；該車已經經過了450萬km的道路測試。從2010年起，漢堡陸續(xù)接收了20輛配有燃料電池驅動系統的梅塞德斯-奔馳B級燃料電池車。

在德國，奔馳公司發(fā)布了最新的燃料電池車200系列產5中國在2008年北京奧運會上成功組織和進行了23輛燃料電池汽車的示范，2010年上海世博會則投入近200輛燃料電池車輛作為觀光和服務用車。中國在2008年北京奧運會上成功組織和進行了23輛燃料電6燃料電池定義燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應將化學能轉化為電能的能量轉換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時需要連續(xù)不斷地向電池內輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應，燃料電池就會不斷提供電能。燃料電池定義燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧7燃料電池優(yōu)點1）由于輸出功率單位由堆的輸出功率定，故機組容量具有自由度；部分負荷時也能保持高的效率；2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料；3）

沒有尺寸效應，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率；燃料電池優(yōu)點1）由于輸出功率單位由堆的8燃料電池優(yōu)點4)轉換效率高，可達60%；5)沒有運轉部件，噪音小；

6)NOx及SOx等的排出量少，有利環(huán)保,若以氫為燃料，排放是水，電池部分可實現“零排放”．燃料電池優(yōu)點4)轉換效率高，可達60%；9燃料電池的缺點燃料電池的劣勢主要是價格和技術上存在一些瓶頸1.燃料電池造價偏高：車用PEMFC之成本中質子交換隔膜約占成本的35%;鉑觸媒約占40%，二者均為高貴材料。

燃料電池的缺點燃料電池的劣勢主要是價格和技術上存在102.反應/啟動性能：燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數來達到，但提高穩(wěn)定性則必須避免副反應的發(fā)生。反應性與穩(wěn)定性常是魚與熊掌不可兼得。2.反應/啟動性能：113.碳氫燃料無法直接利用：除甲醇外，其它的碳氫化合物燃料均需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣后，方可供現今的燃料電池利用。這些設備亦增加燃料電池系統之投資額。3.碳氫燃料無法直接利用：124.氫燃料基礎建設不足：氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經濟規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站，仍值示范推廣階段。此外，加氣時間頗長，約需時5分鐘，尚跟不上工商時代的步伐。4.氫燃料基礎建設不足：135.氫氣儲存技術：目前FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主，車體的載運量因而受限，每次充填量僅約2.5~3.5公斤，尚不足以滿足現今汽車單程可跑480~650公里的續(xù)航力。以-253℃保持氫的液態(tài)氫系統雖已測試成功，但卻有重大的缺陷：約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫，使氫維持于液態(tài)，且從隙縫蒸發(fā)而流失的氫氣約為總存量的5％5.氫氣儲存技術：14燃料電池發(fā)明歷史1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機和電極過程動力學的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展，英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應用于阿波燃料電池發(fā)明歷史1839年英國的Grove發(fā)明了燃料15

羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到應用。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始16燃料電池的發(fā)展現狀PEM：質子交換膜燃料電池；DMFC：直接甲醇燃料電池；SOFC：固體氧化物燃料電池；MCFC：熔融碳酸鹽型燃料電池；AFC：堿性燃料電池； PAFC：磷酸鹽型燃料電池燃料電池的發(fā)展現狀PEM：質子交換膜燃料電池；DMFC：17燃料電池電極反應及其工作原理燃料電池電極反應18電極反應由兩個電極（正極和負極）組成的電化學電池有一總反應式，即A氧化1+B還原1——C還原2+D氧化2ＦＣ中的負極反應或為H2直接氧化，或為甲醇氧化。間接氧化是通過一重整步驟發(fā)生的。正極反應總是還原，在絕大多數情況下，氧來自于空氣。電極反應由兩個電極（正極和負極）組成19燃料電池的工作原理燃料電池由陽極、陰極和離子導電的電解質構成，其工作原理與普通電化學電池類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負載流向陰極構成電回路，產生電流。燃料氧化劑陽極陰極電解質導電離子燃料電池的工作原理燃料電池由陽極、陰極和離子導電的電解質構成20燃料電池通過氧與氫結合成水的簡單電化學反應而發(fā)電。燃料電池的基本組成有：電極、電解質、燃料和催化劑。二個電極被一個位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質分開。在電極上，催化劑，例如白金，常用來加速電化學反應。下圖為燃料電池基本原理示意圖。燃料電池通過氧與氫結合成水的簡單電化學反21工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件22工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。一般以氫氣、碳、甲醇、硼氫化物、煤氣或天然氣為燃料，作為負極，用空氣中的氧作為正極工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。一般以23H2—O2燃料電池H2—O2燃料電池24燃料電池的類型燃料電池的類型251.按燃料電池的運行機理分酸性燃料電池堿性燃料電池1.按燃料電池的運行機理分酸性燃料電池262.按燃料類型分氫燃料電池甲烷燃料電池甲醇燃料電池乙醇燃料電池2.按燃料類型分氫燃料電池273.按照電解質的種類分堿性燃料電池（AFC）：采用氫氧化鉀溶液作為電解液磷酸鹽型燃料電池（PAFC）：采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）：采用熔融態(tài)碳酸鹽作為其電解質固體氧化物型燃料電池（SOFC）：采用固態(tài)電解質質子交換膜燃料電池（PEMFC）：采用極薄的塑料薄膜作為其電解質

3.按照電解質的種類分堿性燃料電池（AFC）：采用氫氧化鉀溶28AFC多以直接供氫氣作為燃料，電解質為高濃度的KOH溶液，電化學活性高，。

陽極反應：陰極反應：堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料電池中生產成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。如同質子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。3.1堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）AFC多以直接供氫氣作為燃料，電解質為高濃度的29

堿性燃料電池的結構（自由電解質型）

堿性燃料電池的結構（自由電解質型）

30AFC的優(yōu)點是：①效率高，因為氧在堿性介質中的還原反應比其他酸性介質高；②因為是堿性介質，可以用非鉑催化劑；③因工作溫度低，堿性介質，所以可以采用鎳板做雙極板。AFC的缺點是：①因為電解質為堿性，易與CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，嚴重影響電池性能，所以必須除去CO2，這給其在常規(guī)環(huán)境中應用帶來很大的困難。②電池的水平衡問題很復雜，影響電池的穩(wěn)定性。AFC的優(yōu)點是：313.2磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

PAFC是以濃磷酸為電解質，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負電極的中溫型燃料電池?？梢栽?80～200℃工作。具有電解質穩(wěn)定、磷酸可濃縮、水蒸氣壓低和陽極催化劑不易被CO毒化等優(yōu)點，是一種接近商品化的民用燃料電池。陽極反應：陰極反應：3.2磷酸燃料電池（phosphoricacidfuel32工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件33磷酸燃料電池特點：排氣清潔。燃料并不燃燒，就發(fā)電，所以幾乎完全沒有NOX,SOX。發(fā)電效率高。燃料電池發(fā)電上是把燃料的化學能直接變換成電能的，所以能量變換損失少。低噪音，低振動。不伴有旋轉機械的發(fā)電方式，所以是在低噪音、低振動下運轉。磷酸燃料電池特點：排氣清潔。燃料并不燃燒，就發(fā)電，所以幾乎完343.3熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

MCFC操作溫度600~700℃，可采用內重整方式供給燃料（氫氣或甲烷),也可以粗制氫氣作燃料。陽極為燒結的多孔鎳，陰極為含Li的NiOx。陽極反應：陰極反應： 3.3熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonate35工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件36MCFC的特點：

這種電池工作的高溫能在內部重整諸如天然氣和石油的碳氫化合物，在燃料電池結構內生成氫。在這樣高的溫度下，盡管硫仍然是一個問題，而一氧化碳污染卻不是問題了，且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產生的多余熱量還可被聯合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達60%。如果其浪費的熱量能夠加以利用，其潛在的效率可高達80%。不過，高溫也會帶來一些問題。這種電池需要較長的時間方能達到工作溫度，因此不能用于交通運輸，其電解質的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(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。目前的示范電池可產生高達2MW的電力，50-100MW容量的電力設計業(yè)已提到議事日程。

MCFC的特點：這種電池工作的高溫能在內部重373.4固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）

SOFC是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。采用的是固態(tài)電解質（鉆石氧化物），性能很好。在這種燃料電池中，當氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進入的氧，從而完成循環(huán)。陽極反應：H2+O2-

H2O+2e-

CO+O2-

CO2+2e-

陰極反應:O2+4e-2O2-

3.4固體氧化物燃料電池（solidoxidefuel38工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件39SOFC的特點：①較高的電流密度和功率密度；②陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；③可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；④避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；⑤能提供高質余熱，實現熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統；⑥廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構；⑦陶瓷電解質要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應進行，還可以實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。

SOFC的特點：①較高的電流密度和功率密度；403.5質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

PEMFC的關鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質子交換膜；4）雙極板。工作時，氫在陽極被轉變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內部高分子膜電解質到達陰極。在陰極，氧氣轉變?yōu)檠踉樱踉拥玫綇年枠O傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結合生成水。下圖是質子交換膜燃料電池工作原理示意圖陽極反應：陰極反應：3.5質子交換膜燃料電池（protonexchangem41工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件42500kw質子交換膜燃料電池500kw質子交換膜燃料電池43質子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：

其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換率高；發(fā)電時不產生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。質子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等。質子交換類膜存在下述缺點：

制作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。質子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：44各種類型燃料電池的比較FCSOFCMCFCAFCPAFCPEMFC優(yōu)點燃料適應性廣采用非貴金屬作為催化劑高品位余熱可用于熱電聯供固體電解質較高的功率密度燃料適應性廣使用非貴金屬催化劑高品位余熱可用于熱電聯供陰極性能得到改善可以不使用貴金屬作為催化劑材料成本低，電解質成本非常低廉電解質價廉，使用酸性的電解液能夠直接使用烴類化合物轉換的含有CO2的富氫氣體作為燃料技術成熟可靠性高，長期運行性好所有燃料電池中功率密度最高較好的起停能力低操作溫度使其更適應便攜式應用。各種類型燃料電池的比較FCSOFCMCFCAFCPAFCPE45FCSOFCMCFCAFCPAFCPEMFC缺點材料在高溫下運行會產生一系列問題密封問題電池部件制造成本高CO2必須再循環(huán)熔融碳酸鹽電解質具有腐蝕性退化/壽命問題材料昂貴必須使用純的H2和O2需周期性地更換KOH電解質必須從陽極及時除水電解質容易CO2中毒效率只有40%啟動時間長鉑催化劑昂貴對CO和S中毒敏感電解質是有腐蝕性的液體，運行時必須及時補充電解質采用昂貴的鉑催化劑聚合物膜和輔助組件昂貴經常需要水管理非常差的CO和S容許度FCSOFCMCFCAFCPAFCPEMFC材料在高溫下運行46燃料電池的應用前景及發(fā)展趨勢燃料電池的應用前景及發(fā)展趨勢47主要應用：1.在移動裝置上2.空間領域3.軍事上4.運輸上5固定應用主要應用：48燃料電池在移動裝置上的應用：伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動電器的主要能源。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點，比常規(guī)電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。

目前，美國正在試驗以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，而德國則在實驗以這種能源為動力的膝上型電腦。蘋果新型氫燃料電池移動裝置可撐數周

燃料電池在移動裝置上的應用：伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成49燃料電池在空間領域的應用：燃料電池最早和最成功的應用始于20世紀50年代，它被用作航天飛船的動力源。由于燃料電池相對于其他動力能源來說有很高的效率，因而可極大的減少體積和重量。對于航天器說，減輕重量是很重要的！燃料電池沒有同時在其他方面得到應用，主要的原因是當時的燃料電池造價昂貴；因此，降低燃料電池的造價是多年來研究和開發(fā)的主要內容燃料電池在空間領域的應用：燃料電池最早和最成功的應用始于2050燃料電池在軍事上的應用：燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸提供動力。

在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應。此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。

同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數量便可以顯著的減少。自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。燃料電池在軍事上的應用：燃料電池可以51軍事上應用發(fā)電機軍事上應用發(fā)電機52燃料電池在居民家庭中的應用：低溫質子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池幾乎可以滿足私人居戶和小型企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能被廣泛地應用，美國，日本和德國僅有少量的家庭用質子交換膜燃料電池提供能源。規(guī)模組合發(fā)電站的規(guī)模不足20KW，普通發(fā)電站難以做到這么小的規(guī)模，這類發(fā)電站在家庭方面將有廣泛的應用前景。燃料電池在居民家庭中的應用：低溫質子交換膜燃料電池或磷酸燃料53發(fā)電單元儲水槽發(fā)電單元儲水槽54工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件55燃料電池在運輸上的應用：在世界各地，國家和地方機構都在立法強迫汽車制造商生產能極大限度地降低排放的車輛，燃料電池可為這種要求帶來實質的機遇。研究指出：當一輛小車使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內燃機時，其二氧化碳的排放量可以減少高達72%。燃料電池在運輸上的應用：在世界各地，國家和地方56燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉化成電能，它所產生的副產品只有水和熱。它摒棄了復雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。燃料電池車的基本結構如右圖所示燃料電池汽車燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的57工業(yè)催化燃料電池ppt講解課件58同濟大學參與研制的燃料電池轎車。它能在14秒內加速到80公里，最高時速達110公里，可連續(xù)行駛210公里。在車后行李箱內，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進入反應器，和空氣中的氧氣結合釋放能量，提供汽車前進的動力。為安全起見，在后廂內安裝了監(jiān)測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報警。經測試該車在污染排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經濟性方面達到A級水平。超越二號同濟大學參與研制的燃料電池轎車。它能在14秒內加速到59通用Hy-wire

氫動三號

由200塊相互串聯