燃料電池培訓(xùn)課件47

第五章燃料電池燃料電池的概述燃料電池（fullCell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上和普通電池（battery）完全不同。燃料電池的活性物質(zhì)是存儲在電池之外，只要不斷地供給燃料和氧化物就一直能發(fā)電，因而容量是無限的。而電池的容量是有限的，活性物質(zhì)一旦消耗完，電池的壽命就終止。燃料電池的組成燃料電池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由燃料和氧化劑供給系統(tǒng)，水管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等幾個子系統(tǒng)組成。燃料電池的種類堿性燃料電池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料電池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固體氧化物燃料電池(SOFC)(solidoxidefuelcell)燃料電池類型堿性燃料電池磷酸型燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池英文簡稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解質(zhì)氫氧化鉀溶液磷酸質(zhì)子滲透膜碳酸鉀固體氧化物燃料純氫天然氣，氫氫、甲醇、天然氣天然氣、煤氣、沼氣天然氣、煤氣、沼氣氧化劑純氧空氣空氣空氣空氣效率60%~90%37%~42%43%~58%50%~50%~65%使用溫度60~120160~22060~120600~1000600~1000堿性燃料電池工作原理使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，

陽極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。堿性燃料電池工作示意圖AFC電極的制備工藝AFC的電極設(shè)計要求電極具有高度穩(wěn)定性的氣、液、固三相界面。雙孔結(jié)構(gòu)電極電極分兩層，粗孔層和細(xì)孔層，粗孔層與氣室相連，細(xì)孔層與電解質(zhì)接觸。電極工作時，粗孔層內(nèi)充滿反應(yīng)氣體，細(xì)孔層內(nèi)填滿電解液。細(xì)孔層的電解液浸潤粗孔層，液氣界面形成并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，離子和水在電解液中傳遞，而電子則在構(gòu)成粗孔層和細(xì)孔層的合金骨架內(nèi)傳導(dǎo)。黏結(jié)型電極是將親水的導(dǎo)電體（如電催化劑材料鉑／碳）與具有粘結(jié)能力的防水劑（如聚四氟乙烯乳液）按比例混合制成電極。它在微觀尺度上是相互交錯的兩相體系，由防水劑構(gòu)成的疏水網(wǎng)絡(luò)為反應(yīng)氣體提供內(nèi)部的擴(kuò)散通道；由電催化劑構(gòu)成的親水網(wǎng)絡(luò)可以被電解液充滿浸潤，它為水和OH-提供通道的同時，也為電子的傳導(dǎo)提供通道。AFC的催化劑常用的催化劑有貴金屬，包括鉑、銠、金、銀貴金屬合金過渡金屬，如鈷、鎳和錳等。對催化劑的布置形式直接制成電極如采用高比表面的鎳作陽極，銀粉作陰極，電極本身具有催化性能用高比表面的碳材料做電極基體，將貴金屬催化劑分散到碳基體上，形成具有催化活性的電極。AFC的隔膜材料一般采用石棉膜由石棉纖維制備，分子式為3MgO·2SiO2·2H2O石棉膜化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿和有機(jī)物腐蝕，具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，是電子的絕緣體。飽浸氫氧化鉀水溶液的石棉膜是離子(OH－)的良好導(dǎo)體，并阻止水分子通過。AFC循環(huán)系統(tǒng)AFC的排水方法反應(yīng)氣體循環(huán)法通過循環(huán)一個或兩個電極的反應(yīng)氣體，在外部冷凝成液態(tài)水排出靜態(tài)排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置一多孔排水膜，生成的水通過濃差擴(kuò)散通過氫氣室，進(jìn)入排水膜在排水膜外側(cè)冷凝并通過排水腔排出冷凝排水法在氫氣室一側(cè)設(shè)置冷凝板，外側(cè)的冷凝腔內(nèi)流過冷卻劑，生成的水災(zāi)冷凝板上冷凝成液態(tài)排出電解質(zhì)排水法通過電解液的外部循環(huán)蒸發(fā)排水AFC的性能優(yōu)缺點優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)化效率高通常單位輸出電壓為0.8~0.95V，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%~70%。采用非鉑系催化劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定缺點：氧化劑中必須不含有CO2。燃料中必須不含CO2電池電化學(xué)反應(yīng)生成的水必須及時排出，維持水平衡。磷酸鹽燃料電池（PAFC)PAFC是一種以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池。PAFC采用重整天然氣作燃料，空氣作氧化劑，浸有濃磷酸的SiC微孔膜作電解質(zhì)，Pt/C作催化劑，工作溫度200℃。PAFC是目前單機(jī)發(fā)電量最大的一種燃料電池。PAFC的工作原理CH4+2H2O→4H2+CO2CH3OH+H2O→3H2+CO2陽極：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O總反應(yīng)1/2O2+2H2→H2OPAFC的結(jié)構(gòu)由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝構(gòu)成電池組。PAFC的工作溫度一般為200℃左右，能量轉(zhuǎn)化率約在40%，為保證電池工作穩(wěn)定，必須連續(xù)地排除廢熱。PAFC的冷卻系統(tǒng)水冷排熱水冷可采用沸水冷卻和加壓冷卻。沸水冷卻時，水的用量較少，而加壓冷卻則要求水的流量較大。水冷系統(tǒng)對水質(zhì)要求高，以防止水對冷卻板材料的腐蝕。水中的重金屬含量要低于百萬分之一，氧含量要低于十億分之一空氣冷卻

采用空氣強(qiáng)制對流冷卻系統(tǒng)簡單，操作穩(wěn)定。但氣體熱容低，造成空氣循環(huán)量大，消耗動力過大。所以氣冷僅適用于中小功率的電池組。絕緣油冷卻

采用絕緣油作冷卻劑的結(jié)構(gòu)與加壓式水冷相似，油冷系統(tǒng)可以避免

對水質(zhì)高的要求，但由于油的比熱小，流量遠(yuǎn)大于水的流量。PAFC的關(guān)鍵材料電催化劑Pt/C催化劑是PAFC常用的電極活性材料。鉑和過渡金屬（V、Cr、Co等）和合金電極結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層平整層催化層電解質(zhì)材料濃磷酸溶液隔膜材料微孔結(jié)構(gòu)隔膜，由SiC和聚四氟乙烯組成。雙極板雙極板的作用是分隔氫氣和氧氣，并傳導(dǎo)電流，使兩極導(dǎo)通。雙極板材料是玻璃態(tài)的碳板，表面平整無滑，以利于電池各部件接觸均勻。為了減少電阻和熱阻，雙極板材料非常薄。

PAFC應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）PEMFC以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，以Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，燃料

氫或凈化重整氣，氧化劑采用空氣或純氧，雙電極材料目前采用石墨或金屬。PEMFC的工作原理陽極反應(yīng)：H2→2H++2e-陰極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e-→H2O電池反應(yīng)：H2+1/2O2→H2OPEMFC的結(jié)構(gòu)PEMFC的材料關(guān)鍵材料：電催化劑、電極、質(zhì)子交換膜和雙極板電催化劑材料主要以鉑為主。碳載鉑合金催化劑合金元素主要有鉑、鉻、錳、鈷和鎳等，鉑在合金元素中的比例一般在35%～65%之間。納米級顆粒Pt/C催化劑PEMFC電極的制備工藝PEMFC電極采用多孔氣體擴(kuò)散電極，由催化層和擴(kuò)散層構(gòu)成擴(kuò)散層起支撐催化層的作用，同時還有收集電流，為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道，氣體通道和排水通道等功能。催化層是電極的核心部分，電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化層。擴(kuò)散層的制備工藝憎水處理將原料碳紙多次浸入聚四氟乙烯（PTFE）乳液中，用稱重法記錄浸入的聚四氟乙烯乳液的量。焙燒處理在330～340℃的溫度下，焙燒浸好的碳紙，排出其中浸入的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性劑，同時使聚四氟乙烯熱熔燒結(jié)并均勻分散在碳紙的纖維上，實現(xiàn)憎水。整平處理將水或水＋乙醇的混合液作溶劑，加入炭黑與PTFE配成的質(zhì)量比為１:１的溶液，用超聲波將溶劑與溶液振蕩均勻。當(dāng)混合物靜止沉淀后，棄去上清液，取其沉降物涂到憎水處理的碳紙上，實現(xiàn)其表面平整。其它處理催化層的制備工藝催化層的制備工藝目前可分為兩大類：經(jīng)典疏水電極催化層制備工藝薄層親水電極催化層制備工藝。膜電極三合一組件與AFC、PAFC相比，PEMFC保持電極與膜的良好接觸要困難得多。PEMFC的膜為高分子聚合物，僅靠電池組裝力不能使電極與離子交換膜之間有良好的接觸，同時質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入多孔氣體電極的內(nèi)部。于是必須制備電極-膜-電極的三合一組件。具體做法是將全氟磺酸樹脂玻璃化溫度下施加一定壓力，將以加入全氟磺酸樹脂的氫電極（陽極）、隔膜(全氟磺酸型質(zhì)子交換膜)和已加入全氟磺酸樹脂的氧電極（陰極）壓和在一起，形成了電極-膜-電極三合一組件，影響PEMFC性能的因素質(zhì)子交換膜的厚度不同，會造成電池內(nèi)阻的差異。研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜越薄，越有利于提高電極的催化活性。提高電池的操作溫度，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜內(nèi)的傳遞速度。考慮到質(zhì)子交換膜為有機(jī)物，操作溫度通常在室溫到90℃。操作壓力為PH2/PO2的壓力比值。如果增加氣體壓力，可以改變氫、氧氣體的傳質(zhì)，影響電池的性能。同時，會增加整個系統(tǒng)的能耗。質(zhì)子交換膜中的水含量影響電解質(zhì)膜的電導(dǎo)，膜如果失水，膜電導(dǎo)會下降。對反應(yīng)氣體增溫可以防止膜失水，以確保電池正常運行。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)MCFC屬高溫燃料電池，工作溫度是650~700℃。與低溫燃料電池相比，MCFC的本和效率很有競爭力，概括起來有四大優(yōu)勢：①在工作溫度下，MCFC可以進(jìn)行內(nèi)部重整燃料，例如在陽極反應(yīng)室進(jìn)行甲烷的重反應(yīng)，重整反應(yīng)到所需熱量由電池反應(yīng)的余熱提供；②MCFC的工作溫度為650~700℃，其余熱可用來壓縮反應(yīng)氣體以提高電池性能，可以用于供暖；③燃料重整時產(chǎn)生的CO可以作為MCFC的燃料，且由于MCFC為高溫燃料電池，不會受到CO的中毒催化劑的威脅；④催化劑為鎳合金，不使用貴金屬。

MCFC的工作原理MCFC的工作原理MCFC的陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4e-→2CO32-陽極反應(yīng)：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-電池反應(yīng)：O2+2H2→2H2OMCFC的結(jié)構(gòu)MCFC的性能MCFC的制備工藝隔膜的制備膜主要采用偏鋁酸鋰(LiAlO2)膜，隔膜材料為LiAlO2粉體。為了保證隔膜的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制LiAlO2的粒度、晶型和密度。偏鋁酸鋰隔膜的制備方法有熱壓法、電沉積法、真空鑄造法、冷熱液法和帶鑄法等。其中帶鑄法既適宜于大批量生產(chǎn)，又能保證質(zhì)量，目前廣泛被采用。MCFC的制備工藝陰極的制備原料選用羰基法制備的Ni粉，也可以選用高溫合成法制備的Ni-Cr合金粉（Cr的含量為8%），加入一定比例的膠黏劑、增塑劑和分散劑，用正丁醇和乙醇作溶劑調(diào)成漿料，用帶鑄制膜。陽極的制備原料選用LiCoO2、LiMnO2或CeO2等，同樣采用帶鑄法制成陽極。膜厚度為0.4~0.6mm，平均孔徑為10μm，孔隙率為50%~70%左右。MCFC的制備工藝雙極板材料雙極板的原材料主要為不銹鋼或各種鎳合金。雙極板有三個主要作用：隔開氧化劑（O2或空氣）與還原劑（天然氣、重整氣）；提供氣體流動通道；集流導(dǎo)電。MCFC的研究趨勢陰極的溶解解決陰極溶解的方法主要有：

①抑制NiO的溶解，包括向電解質(zhì)中加入BaCO3、SrCO3，改變電解質(zhì)的組分配比；

②改變陰極成分，向其中加入氧化鈷、氧化銀或稀土氧化物；

③改變陰極材料，用LiCoO2、LiMnO2LiFeO2、SnO2、Sb2O3、CuO、CeO2取代做陰極；

④降低氣體工作電壓，減緩NiO的溶解。MCFC的研究趨勢陽極的蠕動在高溫條件下，還原氣氛中的鎳還發(fā)生蠕變，結(jié)果導(dǎo)致電池的機(jī)械強(qiáng)度降低。向鎳陽極中加入Cr、Al等元素用LiAlO2或SrTiO3作電極的基體材料，其表面鍍一層鎳或銅，然后熱壓燒成電極，目前普遍采用Ni-Cr或Ni-Al合金作MCFC的陽極。電池雙極板材料的防腐固體氧化物燃料電池（SOFC）SOFC的電解質(zhì)是固體氧化物，如ZrO2、Bi2O3等，其陽極是Ni-YSZ陶瓷，陰極目前主要采用錳酸鑭(LSM，La1-xSrxMnO3)材料。SOFC的固體氧化物電解質(zhì)在高溫下（800~1000℃）具有傳遞O2-離子的能力，在電池中起傳遞O2-離子和分隔氧化劑與燃料的作用。SOFC的工作原理陰極反應(yīng)O2+4e-→2O2-陽極反應(yīng)2O2-+2H2→H2O+4e-電池反應(yīng)2H2+O2→2H2OSOFC的結(jié)構(gòu)SOFC的結(jié)構(gòu)SOFC的材料固體氧化物電解質(zhì)材料螢石結(jié)構(gòu)的氧化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物陰極材料錳酸鑭（鍶摻雜）陽極材料Ni與YSZ混合制成的金屬陶瓷電極雙極板材料Cr-Ni合金鉻酸鑭（鈣、鍶摻雜）燃料電池的應(yīng)用燃料電池電站思考題堿性燃料電池的工作原理是什么？與其他燃料電池相比較其優(yōu)點有哪些？固體氧化物燃料電池的工作原理是什么？與其他燃料電池相比較其優(yōu)點和不足分別有哪些？在我的印象里，他一直努力而自知，每天從食堂吃飯后，他總是習(xí)慣性地回到辦公室看厚厚的專業(yè)書不斷提升和充實自己，他的身上有九零后少見的沉穩(wěn)。同事們恭喜他，大多看到了他的前程似錦，卻很少有人懂得他曾經(jīng)付出過什么。就像說的：“如果這世上真有奇跡，那只是努力的另一個名字，生命中最難的階段，不是沒有人懂你，而是你不懂自已。”而他的奇跡，是努力給了挑選的機(jī)會。伊索寓言中，饑餓的狐貍想找一些可口的食物，但只找到了一個酸檸檬，它說，這只檸檬是甜的，正是我想吃的。這種只能得到檸檬，就說檸檬是甜的自我安慰現(xiàn)象被稱為：“甜檸檬效應(yīng)”。一如很多人不甘平庸，卻又大多安于現(xiàn)狀，大多原因是不知該如何改變?？磿r，每個人都能從角色中看到自已。高冷孤獨的安迪，獨立糾結(jié)的樊勝美，樂觀自強(qiáng)的邱瑩瑩，文靜內(nèi)斂的關(guān)睢爾，古怪精靈的曲筱綃。她們努力地在城市里打拼，擁有幸或不幸。但她依然保持學(xué)習(xí)的習(xí)慣，這樣無論什么事她都有最準(zhǔn)確的判斷和認(rèn)知；樊勝美雖然虛榮自私，但她努力做一個好HR，換了新工作后也是拼命爭取業(yè)績；小蚯蚓雖沒有高學(xué)歷，卻為了多賣幾包咖啡絞盡腦汁；關(guān)睢爾每一次出鏡幾乎都是在房間里戴著耳機(jī)聽課，處理文件；就連那個嬉皮的曲筱瀟也會在新年之際為了一單生意飛到境外……其實她們有很多路可以走：嫁人，啃老，安于現(xiàn)狀。但每個人都像個負(fù)重的蝸牛一樣緩緩前行，為了心中那丁點兒理想拼命努力。今天的努力或許不能決定明天的未來，但至少可以為明天積累，否則哪來那么多的厚積薄發(fā)和大器晚成？身邊經(jīng)常有人抱怨生活不幸福，上司太刁，同事太蠻，公司格局又不大，但卻不想改變。還說：“改變干嘛？這個年齡了誰還能再看書考試，混一天是一天吧?！币粋€“混”字就解釋了他的生活態(tài)度。前幾天我聯(lián)系一位朋友，質(zhì)問為什么好久不聯(lián)系我？她說自已每天累的像一條狗，我問她為什么那么拼？她笑：“如果不努力我就活得像一條狗了?！倍?，新?lián)Q的上司，海歸，雖然她有了磨合幾任領(lǐng)導(dǎo)的經(jīng)驗，但這個給她帶來了壓力。她的英語不好，有時批閱文件全是大段大段的英文，她心里很慪火，埋怨好好的中國人，出了幾天國門弄得自己像個洋鬼子似的。上司也不舒服，流露出了嫌棄她的意思，甚至在一次交待完工作后建議她是否要調(diào)一個合適的部門？她的臉紅到了脖子，想著自己怎么也算是老員工，由她羞辱？兩個人很不愉快。但她有一股子倔勁，不服輸，將近40歲的人了，開始拿出發(fā)狠的學(xué)習(xí)態(tài)度，報了個英語培訓(xùn)班。回家后捧著英文書死啃，每天要求上中學(xué)的女兒和自己英語對話，連看電影也是英文版的。功夫不負(fù)有心人，當(dāng)聽力漸漸能跟得上上司的語速，并流利回復(fù)，又拿出漂亮的英文版方案，新上司看她的眼光也從挑剔變?nèi)岷?，某天悄悄放了幾本英文書在她桌上，心里突然發(fā)現(xiàn)上司并沒那么討厭。心態(tài)好了，她才發(fā)現(xiàn)新上司的優(yōu)秀，自從她來了后，部門業(yè)績翻了又翻，獎金也拿到手軟，自己也感覺痛快。她說：這個社會很功利，但也很公平。別人的傲慢一定有理由，如果想和平共處，需要同等的段位，而這個段位，自己可能需要更多精力，但唯有不斷付出，才有可能和優(yōu)秀的人比肩而立。人為什么要努力？一位長者告訴我：“適者生存?！边@個社會講究適者生存，優(yōu)勝劣汰。雖然也有潛規(guī)則，有套路和看不見的溝溝坎坎，但一直努力的人總會守得云開見月明。有些人明明很成功了，但還是很拼。比如劇中的安迪，她光環(huán)籠罩，商場大鱷是她的男閨蜜，不離左右，富二代待她小心呵護(hù)，視若明珠，加上她走路帶風(fēng)，職場攻勢凌歷，優(yōu)秀得讓身邊人仰視。這樣優(yōu)秀的人，不管多忙，每天都要抽出兩個小時來學(xué)習(xí)。她的學(xué)習(xí)不是目的，而是能量，能讓未來的自己比過去更好一些?，F(xiàn)實生活中，努力真的重要，它能改變一個人的成長軌跡，甚至決定人生成敗。有一句雞湯：不著急，你想要的，歲月都會給你。其實，歲月只能給你風(fēng)塵滿面，而希望，唯有努力才能得到！9、懂得如何避開問題的人，勝過知道怎樣解決問題的人。在這個世界上，不知道怎么辦的時候，就選擇學(xué)習(xí)，也許是最佳選擇。勝出者往往不是能力而是觀念！在家里看到的永遠(yuǎn)是家，走出去看到的才是世界。把錢放在眼前，看到的永遠(yuǎn)是錢，把錢放在有用的地方，看到的是金錢的世界。給人金錢是下策，給人能力是中策，給人觀念是上策。財富買不來好觀念，好觀念能換來億萬財富。世界上最大的市場，是在人的腦海