武漢理工大學(xué)-燃料電池技術(shù)-課程重點回顧課件

《燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)》課程回顧羅馬吉2015年10月《燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)》課程回顧羅馬吉考核方式平時成績30％＋考核成績70％平時成績＝出勤＋1次作業(yè)，考核方式為閉卷考試，考試內(nèi)容全為上課所講考核方式平時成績30％＋考核成績70％課程教學(xué)內(nèi)容課程介紹燃料電池概述燃料電池電極熱力學(xué)、電極反應(yīng)動力學(xué)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC、DMFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）其他類型燃料電池（堿性燃料電池AFC、磷酸燃料電池PAFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC）車用燃料電池動力系統(tǒng)燃料電池的表征及測試主要內(nèi)容概括為：介紹燃料電池的基本概念及其最新進展；從電極熱力學(xué)和電極動力學(xué)兩方面分析燃料電池；介紹各種燃料電池的工作原理、特點、結(jié)構(gòu)與性能等；燃料電池汽車動力系統(tǒng)、以及燃料電池的表征與測試。課程教學(xué)內(nèi)容課程介紹第一章燃料電池概述氫能的利用方式氫循環(huán)的概念氫燃料電池的定義及其與一般傳統(tǒng)電池的異同點燃料電池(FuelCell)的定義：是一種以氫為主要燃料，把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接變換成電能的高效、低污染、無噪聲的發(fā)電裝置。燃料電池與一般傳統(tǒng)電池的相同點：都是將活性物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，都屬于電化學(xué)動力源不同點：燃料電池是能量轉(zhuǎn)換器，非能量儲存器；一般電池是能量儲存器。第一章燃料電池概述氫能的利用方式傳統(tǒng)熱機與燃料電池發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程燃料電池的特點燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率的定義燃料電池按照電解質(zhì)性質(zhì)和工作溫度的分類各種類型燃料電池的電解質(zhì)（及載體）、催化劑、工作溫度、工作原理（電極反應(yīng)）、優(yōu)缺點AFC：以石棉網(wǎng)作為電解質(zhì)的載體、氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)，采用Pt或非Pt催化劑PAFC：以碳化硅作為電解質(zhì)的載體、H3PO4電解液作為電解質(zhì)，采用Pt催化劑MCFC：以多孔陶瓷材料作為電解質(zhì)的載體，熔融狀態(tài)堿性碳酸鹽為電解質(zhì)，采用鎳與氧化鎳分別作為陽極與陰極的催化劑傳統(tǒng)熱機與燃料電池發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程氫氧燃料電池基本結(jié)構(gòu)：電解質(zhì)，陰極與陽極燃料成分對燃料電池的影響氫氧燃料電池基本結(jié)構(gòu)：電解質(zhì)，陰極與陽極燃料電池應(yīng)用分類:便攜式電源、備用式電源、移動式電源、固定式電源燃料電池汽車發(fā)展的幾個重要里程碑燃料電池應(yīng)用分類:第二章燃料電池電極熱力學(xué)概述熱力學(xué)基本概念自由能與理想電位理想電位與溫度的關(guān)系理想電位與壓力的關(guān)系燃料電池的效率第二章燃料電池電極熱力學(xué)概述為什么要研究燃料電池電極熱力學(xué)和動力學(xué)？氫氧燃料電池的能量轉(zhuǎn)化方式為電化學(xué)反應(yīng)，與氫氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)不完全相同，兩者之間的異同之處可以從熱力學(xué)與動力學(xué)兩個不同的角度來分析從熱力學(xué)角度來看——熱力學(xué)關(guān)心化學(xué)反應(yīng)的初始狀態(tài)與最終狀態(tài)；氫氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)與燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)都是水生成反應(yīng)，它們的化學(xué)反應(yīng)式相同、反應(yīng)的初始與最終的狀態(tài)函數(shù)也一致。因此，兩者是基本相同的從動力學(xué)角度來看——化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)關(guān)心從反應(yīng)初始狀態(tài)變成最終狀態(tài)的過程(途徑)，著重?zé)崃哭D(zhuǎn)移的熱化學(xué)反應(yīng)(燃燒)與有電功產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)(燃料電池)的反應(yīng)途徑完全不同，不同的反應(yīng)途徑使得兩者對環(huán)境所作的功也不相同。因此，兩者是有明顯差異的為什么要研究燃料電池電極熱力學(xué)和動力學(xué)？電極熱力學(xué)(electrodethermodynamics)的概念可逆燃料電池、可逆電極、可逆電極電位的概念熱力學(xué)函數(shù)吉布斯自由能G與亥姆霍茲自由能F的概念及其關(guān)系：G=F+pV自由能與理想電位的關(guān)系由自由能變化值計算理想電位電極熱力學(xué)(electrodethermodynamics理想電位與溫度的關(guān)系等壓條件下焓變量與可逆電池電位之間的關(guān)系（電動勢溫度系數(shù)的概念）電化學(xué)反應(yīng)的熱量變化與電池的電動勢溫度系數(shù)的關(guān)系如何根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的熱量變化判斷系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿那闆r理想電位與壓力的關(guān)系（活性度的概念、反應(yīng)物質(zhì)活性度大小的表現(xiàn)、Nernst方程式）理想電位與溫度的關(guān)系燃料電池的電動勢(electromotivepotential)En

，或稱作平衡電池電壓(equilibriumcellvoltage)、可逆電池電壓(reversiblecellvoltage)、理想電池電壓(idealcellvoltage)、無效電位(nullpotential)、開路電壓(open-circuitvoltage，OCV)等反應(yīng)氣體壓力(或濃度)改變對燃料電池可逆電位的影響燃料氣體分壓效應(yīng)氧化劑分壓效應(yīng)系統(tǒng)壓力效應(yīng)燃料與氧化劑利用率效應(yīng)燃料電池的電動勢(electromotivepotenti能量轉(zhuǎn)換裝置的效率燃料電池理想效率、電化學(xué)效率、燃料電池的實際效率、燃料電池系統(tǒng)效率、熱電合并效率及其相互關(guān)系能量轉(zhuǎn)換裝置的效率第三章燃料電池電極反應(yīng)動力學(xué)概述Butler-Volmer方程式極化活化過電位、濃度過電位、歐姆過電位極化曲線催化作用第三章燃料電池電極反應(yīng)動力學(xué)概述可逆電極電位、電池電位、電極反應(yīng)、半反應(yīng)（半電池反應(yīng)）等概念當(dāng)有電流通過時，電池內(nèi)部發(fā)生的物理和化學(xué)過程反應(yīng)物通過對流（convection）與擴散（diffusion）到達電極表面；反應(yīng)物在電極表面發(fā)生吸附、表面反應(yīng)和脫附；反應(yīng)產(chǎn)物通過對流與擴散離開電極表面；離子在兩電極間的電解質(zhì)中遷移Bulter-Volmer方程式極化(polarization)、過電位(overpotential)三類極化、三類過電位、極化曲線圖燃料電池進行的電化學(xué)反應(yīng)時，燃料氣體與氧化劑的輸送機制及其受阻引起的極化類型可逆電極電位、電池電位、電極反應(yīng)、半反應(yīng)（半電池反應(yīng)）等概念交換電流密度iO、限制電流密度iL的概念Tafel方程與Tafel圖不同金屬的交換電流密度電極動力參數(shù)（6個）：Ecell、En、iO、RΩ、B與b電催化的概念電催化劑的作用原理：通過改變反應(yīng)途徑，使反應(yīng)過程中的活化能降低評價燃料電池電催化劑的三個主要技術(shù)指標(biāo)：穩(wěn)定性、電催化活性、電導(dǎo)率交換電流密度iO、限制電流密度iL的概念第四章質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)基本結(jié)構(gòu):包括兩塊多孔氣體擴散電極與固態(tài)高分子聚合物電解質(zhì)膜PEMFC的工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為主要燃料氣體，以空氣或純氧為氧化劑的一種燃料電池電解質(zhì)將電池分隔成陰極與陽極兩部分陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：H2→2H++2e-氫離子通過質(zhì)子交換膜以水合質(zhì)子H+(xH2O)的形式，從一個磺酸基（—SO3H）轉(zhuǎn)移到另一個磺酸基往陰極移動電子經(jīng)由外電路對負(fù)載做功后移往陰極陰極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：第四章質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)基本結(jié)構(gòu):包括兩塊多孔PEMFC的特點質(zhì)子交換膜的電阻與膜內(nèi)的水分含量、膜的厚度有關(guān)。電池工作溫度受到質(zhì)子交換膜的耐熱制約，現(xiàn)在的PFMFC工作溫度介于常溫和100℃之間，一般<80℃。PEMFC全部反應(yīng)的最終產(chǎn)物包括水、電和熱，為了保持燃料電池在低溫(<80℃)工作，必須進行冷卻在PEMFC的典型工作溫度下，陰極生成的水以液態(tài)水和水蒸氣的形態(tài)同時存在，這些產(chǎn)物將經(jīng)由空氣帶離燃料電池PEMFC的特點PEMFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電所包括的過程反應(yīng)氣體在電極擴散層內(nèi)的擴散氣體在電極催化層內(nèi)被催化劑吸附并發(fā)生電催化反應(yīng)質(zhì)子在質(zhì)子交換膜內(nèi)從陽極側(cè)傳遞到陰極側(cè)電子同時在電極與雙極板之間的傳遞構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與元器件：質(zhì)子交換膜，催化劑與電催化反應(yīng)、電極、膜電極組、雙極板與流場PEM的功用與特性功用：提供質(zhì)子通道、隔絕反應(yīng)氣體流通、傳遞水特性：高質(zhì)子傳導(dǎo)率與低氣體滲透率；高熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性；高含水性；具有一定機械強度；電子絕緣性。PEMFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電所包括的過程Nafion膜的立體結(jié)構(gòu)：主干、離子簇、側(cè)鍵；氫離子在質(zhì)子交換膜中的傳導(dǎo)機制質(zhì)子交換膜內(nèi)水遷移主要形式：電滲力、擴散作用、壓力作用膜電極組(membrane-electrodeassembly，MEA)，多層MEA的組成氣體擴散層GDL的功用及其材質(zhì)特性功用：將電流傳導(dǎo)至雙極板；協(xié)助氣體擴散至催化劑表面。材質(zhì)特性：導(dǎo)電性、多孔性、疏水性目前GDL材料：碳布（carboncloth）或碳紙（carbonpaper）。Nafion膜的立體結(jié)構(gòu)：主干、離子簇、側(cè)鍵；雙極板（流場板）的主要功能：進氣導(dǎo)流與收集電流PEMFC雙極板的材料及基本特性：無孔石墨板、塑料碳板、表面改性金屬板、復(fù)合型雙極板；具有阻氣、導(dǎo)電、散熱以及抗腐蝕等基本特性PEMFC雙極板材料特性必須具有氣密性，借以分隔反應(yīng)氣體；具備足夠的機械強度；電和熱的傳導(dǎo)性良好；雙極板在電堆重量中占有高比例，必須加以輕量化；加工性優(yōu)良，便于加工氣體通道，并使反應(yīng)氣體分布均勻；在所處工作電壓范圍內(nèi)具有抗腐蝕能力雙極板（流場板）的主要功能：進氣導(dǎo)流與收集電流金屬雙極板的優(yōu)點與存在的問題金屬雙極板的最大優(yōu)點是易于大量生產(chǎn)，而且厚度可以大幅降低(100～300μm)，電池組的比能量與比功率也可大幅度提高PEMFC雙極板的兩側(cè)分別為濕的氧化劑與濕的還原劑，由于離子體會微量溶解而使電化學(xué)反應(yīng)所生成的水具有微弱的酸性，以一般金屬材料作為雙極板時，陰極側(cè)會因為金屬氧化膜增厚而增加接觸電阻，降低了燃料電池的性能；陽極側(cè)則會發(fā)生輕微腐蝕而導(dǎo)致電極催化劑的活性降低。PEMFC金屬雙極板的關(guān)鍵在于表面處理。經(jīng)有適當(dāng)?shù)谋砻娓男蕴幚恚坏梢苑乐垢g的產(chǎn)生，而且還可以使接觸電阻保持固定而不會隨時間而增大。PEMFC雙極板流場的幾何設(shè)計基本原則增強氣體對流與擴散能力選擇最佳雙極板開孔率降低氣體阻力金屬雙極板的優(yōu)點與存在的問題影響單電池性能的因素：膜厚、工作溫度、反應(yīng)氣體壓力、濕度、擴散層材料、催化層Nafion比例、催化劑載量在PEMFC催化層內(nèi)，想要獲得電池的最佳性能，必須保證三條通道暢通：電子通道、質(zhì)子通道、氣體通道PEMFC催化層內(nèi)Nafion含量存在最佳值的原因電池組的關(guān)鍵技術(shù)：密封、水管理、增濕、散熱等水管理不當(dāng)造成的負(fù)面影響：膜脫水(dewatering)、電極水泛濫(flooding)或者反應(yīng)氣體被水蒸氣稀釋(dilution)等PEMFC電池組為什么要采取水管理和增濕技術(shù)？散熱方式：對流或相變化(或蒸發(fā))影響單電池性能的因素：膜厚、工作溫度、反應(yīng)氣體壓力、濕度、擴DMFC電極反應(yīng)方程式PEMFC與DMFC電極過電位的比較總反應(yīng)：陰極：陽極：DMFC電極反應(yīng)方程式總反應(yīng)：陰極：陽極：甲醇在鉑催化劑表面的吸附/脫氫過程的反應(yīng)機制DMFC的進料方式及其優(yōu)缺點影響DMFC性能的因素（表）甲醇在鉑催化劑表面的吸附/脫氫過程的反應(yīng)機制SOFC的工作原理O2+4e-→2O2-

陰極：陽極：H2(g)+O2-→H2O(g)+2e-CO(g)+O2-→CO2(g)+2e-CH4(g)+4O2-→2H2O(g)+CO2+8e-第5章固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）SOFC的工作原理O2+4e-→2O2-陰極：陽極：H2SOFC的工作原理固態(tài)氧化物燃料電池采用在高溫下具有傳遞氧離子(O2-)能力的固態(tài)氧化物為電解質(zhì);其電化學(xué)氧化還原反應(yīng)過程如下：在陰極，空氣中的氧原子與外電路提供的電子反應(yīng)而還原成為氧離子O2-，氧離子經(jīng)固體電解質(zhì)離子導(dǎo)電作用向陽極移動。在陽極，燃料氣體H2進入陽極反應(yīng)活性位，與氧離子進行氧化反應(yīng)生成水并釋放出電子進入外電路，從而產(chǎn)生直流電。當(dāng)燃料氣體及空氣連續(xù)供應(yīng)給電池時，該電池就源源不斷地向外電路輸出直流電。陰極半反應(yīng)：陽極半反應(yīng)：總反應(yīng)：SOFC的工作原理陽極半反應(yīng)：總反應(yīng)：(1)電解質(zhì)是固體，沒有電解質(zhì)蒸發(fā)和溢漏的問題，而且電極也不存在腐蝕的問題，運轉(zhuǎn)壽命長。此外，由于構(gòu)成電池殼體的材料全部是固體，故電池外形的設(shè)計具有彈性。(2)無需使用貴重金屬觸媒，而且本身具有內(nèi)重整能力，故可以直接采用天然氣、煤氣或其他碳氫化合物作燃料，簡化了電池系統(tǒng)。(3)工作溫度高，排出的余熱以及未使用的燃料氣體可以與燃氣輪機或汽輪機等構(gòu)成復(fù)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，提高總的發(fā)電效率，并減少對環(huán)境的污染。缺點：對電池材料的要求較高，價格較貴以及開路電壓較低、啟動和關(guān)機的時間比較長。SOFC的優(yōu)缺點(1)電解質(zhì)是固體，沒有電解質(zhì)蒸發(fā)和溢漏的問題，而且電極也SOFC對材料要求:化學(xué)和物理穩(wěn)定性高具有兼容性和一致性，以及相似的熱膨脹系數(shù)

所有組件除滿足其功能需求的電導(dǎo)率價格低廉、機械性能強、容易加工SOFC的電解質(zhì)、陽極、陰極、連接體的功能和對材料要求的異同點。SOFC對材料要求:SOFC的電解質(zhì)、陽極、陰極、連接體的SOFC的制備方法主要分為物理法、化學(xué)法以及陶瓷成型法。目前研究的SOFC電池結(jié)構(gòu)形式和各自優(yōu)缺點。管式(tubulardesign)，疊層波紋板式(monolithicdesign)和平板式(planardesign)SOFC的燃料種類和對燃料的要求？能使用包括CO、天然氣、煤氣、沼氣在內(nèi)的多種燃料，并且對燃料純度的要求也不高。壓力、溫度、反應(yīng)氣體的組成與利用率以及雜質(zhì)對SOFC影響規(guī)律平板式SOFC中PEN板代表什么？（Positiveelectrode-electrolyte-negative-eletrodeplate）SOFC的制備方法主要分為物理法、化學(xué)法以及陶瓷成型法。平板第6章其他類型燃料電池堿性燃料電池(AFC)使用的電解質(zhì)、電解質(zhì)載體、催化劑、燃料和氧化劑是什么？AFC的工作原理，在電解質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是什么？AFC的工作溫度？AFC的優(yōu)缺點？什么是CO2中毒？氧化劑、壓力、溫度對AFC的影響規(guī)律？第6章其他類型燃料電池堿性燃料電池(AFC)使用的電解質(zhì)AFC的特點能量轉(zhuǎn)換效率高。可采用鎳板或鍍鎳金屬板作雙極板，價格低廉。瞬時啟動快、工作溫度范圍廣。熱管理比較容易。優(yōu)點缺點所使用燃料的限制非常嚴(yán)格，必須以純氫作為陽極燃料氣體，以純氧作為陰極氧化劑。陽極所生成的水必須及時排除，以維持電解液濃度不變。電解質(zhì)具有很強的腐蝕性，電池壽命短。AFC的特點能量轉(zhuǎn)換效率高。優(yōu)點缺點所使用燃料的限制非常嚴(yán)格磷酸燃料電池(PAFC)使用的電解質(zhì)、電解質(zhì)載體、催化劑、燃料和氧化劑是什么？PAFC的工作原理，在電解質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是什么？PAFC的燃料利用率和氧化劑的利用率PAFC的優(yōu)缺點？壓力、溫度、反應(yīng)氣體組成和利用率、雜質(zhì)對PAFC的影響？磷酸燃料電池(PAFC)使用的電解質(zhì)、電解質(zhì)載體、催化劑、PAFC的特點磷酸電解質(zhì)可以容許CO2的存在；在低溫下發(fā)電，而且穩(wěn)定性良好；余熱利用中獲得的水可以直接作為人們?nèi)粘Ｉ钣脽崴?；起動時間與MCFC和SOFC相比時間較短。優(yōu)點缺點磷酸燃料電池的缺點是電催化劑（觸媒）必須用貴金屬；若燃料氣體中CO含量過高（大于0.5%），電催化劑將會被CO毒化而失去催化活性；磷酸具有腐蝕性，影響電池壽命。PAFC的特點磷酸電解質(zhì)可以容許CO2的存在；優(yōu)點缺點磷酸燃熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用的電解質(zhì)、電解質(zhì)載體、催化劑、燃料和氧化劑是什么？MCFC的工作原理，在電解質(zhì)內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是什么？MCFC的工作溫度？MCFC的優(yōu)缺點？壓力、溫度、反應(yīng)氣體組成和利用率對MCFC的影響？熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用的電解質(zhì)、電解質(zhì)載體、催MCFC的特點工作溫度高：電極反應(yīng)活化能小，不需要高效催化劑(觸媒)，節(jié)省了貴金屬的使用，降低了成本?？梢允褂肅O含量高的燃料氣體，如煤制氣。電池排放的余熱溫度高達400℃，可以回收利用，或與燃氣輪機并聯(lián)發(fā)電，使總的熱效率可以提高到80％。優(yōu)點缺點高溫以及電解質(zhì)強的腐蝕性電池邊緣的高溫濕密封技術(shù)難度大。電池系統(tǒng)中需要CO2的循環(huán)，這增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。MCFC的特點工作溫度高：電極反應(yīng)活化能小，不需要高效催化劑第7章車用燃料電池動力系統(tǒng)燃料電池汽車(FuelCellVehicle，F(xiàn)CV；或FCEV)：以燃料電池系統(tǒng)作為動力源或主動力源的車輛。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)形式純?nèi)剂想姵仳?qū)動的FCEV的優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置；（2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化；（3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高。缺點：（1）燃料電池功率大、成本高；（2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性要求很高；（3）不能進行制動能量回收。第7章車用燃料電池動力系統(tǒng)燃料電池汽車(FuelCell混合驅(qū)動型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)主要組成部分：燃料電池系統(tǒng)、DC／DC轉(zhuǎn)換器、輔助動力源、驅(qū)動電動機以及各相應(yīng)的控制器，機械傳動與車輛行駛機構(gòu)等DC/DC轉(zhuǎn)換器的作用：升壓和穩(wěn)壓的調(diào)節(jié)作用輔助動力源構(gòu)成方式：蓄電池、超級電容、蓄電池+超級電容混合動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：“FC+B”、“FC+C”、“FC+B+C”燃料電池混合動力汽車按功率來源比例可分為能量混合型和功率混合型兩類燃料電池-蓄電池動力系統(tǒng)按照蓄電池容量和燃料電池輸出功率分為里程延長型、中等混合型、功率輔助型三種混合驅(qū)動型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)主要組成部分：燃料電池系統(tǒng)、車用燃料電池系統(tǒng)組成：燃料電池堆、燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)按氧化劑進氣壓力分：高壓系統(tǒng)、常壓系統(tǒng)、變壓系統(tǒng)燃料電池采用高壓系統(tǒng)的目的、高壓系統(tǒng)的缺點車用燃料電池系統(tǒng)組成：燃料電池堆、燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑第8章燃料電池的表征及測試了解可能需要表征的各種燃料電池特性參數(shù)表征燃料電池的兩個主要目的燃料電池表征技