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1、第七章 燃料電池,Fuel cell,早在年,英國科學(xué)家威廉格羅夫就提出了氫氧燃料電池的原理。,一、 前言,1960s,美國阿波羅宇宙飛船上開始使用堿性燃料電池。,燃料電池的優(yōu)點,將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化,可以避免中間的轉(zhuǎn)換損失,達到很高的發(fā)電效率。 燃料電池構(gòu)造簡單,噪音小。 理論上,應(yīng)用于汽車的燃料電池可以把氫燃料能量的轉(zhuǎn)化為動能,而內(nèi)燃機只能達到。,燃料電池汽車的發(fā)展與現(xiàn)狀,1993年,加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司,P.158 163,二、燃料電池的分類,(1)堿性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell, AFC),
2、(2)質(zhì)子交換膜燃料電池 (Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC),(3)磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC),(4)熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC),(5)固體氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC),(一)根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的不同,(二)根據(jù)操作溫度來
3、分類,(1)低溫型 PEMFC(80-100 oC) AFC(60-220 oC) PAFC(180-200 oC) (2)中溫型 MCFC(650 oC) (3)高溫型 SOFC(1200 oC),三、不同燃料電池的工作原理,(1)堿性燃料電池 (Alkaline Fuel Cell, AFC),陽極反應(yīng) 2H2+4OH-4H2O+4e- 陰極反應(yīng) 4e-+O2+2H2O 4OH- 總反應(yīng) 2H2+O2 2H2O,陽極燃料:純氫,陽極:碳載的Pt、Pd、Ni 陰極:碳載的Pt、Ag,電解質(zhì):35-50%KOH溶液,可使用非貴金屬為電極催化劑,例如銀、鎳等 操作時所需溫度較低,為100 oC-
4、250 oC 化學(xué)反應(yīng)快且轉(zhuǎn)化效率高,堿性染料電池的優(yōu)點:,堿性染料電池的缺點:,電解質(zhì)腐蝕嚴重,壽命較短 燃料必須是高純度的氫 堿性燃料電池的電解質(zhì),易與空氣中的二氧化碳結(jié)合形成碳酸鉀,影響電解質(zhì)的品質(zhì),導(dǎo)致發(fā)電性能衰退,要使用純氧做氧化劑,(2)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),氫的陽極氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的陰極還原:Pt O2 + 4H+ + 4e- 2H2O,陽極燃料:氫氣或甲醇,電解質(zhì):磺酸型質(zhì)子傳導(dǎo)膜,陽極:碳載Pt 陰極:碳載Pt,質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點,易組裝、高功率、低重量、低體積 電解質(zhì)為離子交換膜,無腐蝕,薄膜的表面涂有可以加速反應(yīng)的催化劑(大部分為金
5、屬鉑) 唯一液體是水,腐蝕小 操作溫度低,介于80-100,比較安全,且可室溫快速啟動 適用于交通工具、便攜設(shè)備、建筑物與小型社區(qū),質(zhì)子交換膜燃料電池的缺點,催化劑鉑價格昂貴,減少使用量,操作溫度會提升 鉑容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象 固體電解質(zhì)昂貴,單電池組裝前,氫氣端 bipolar plate,氧氣端 bipolar plate,MEA夾于其間,單電池 (Single Cell),進氣流道,車載的甲醇重整制氫裝置,Fe2O3或CuO,Ni,Selective oxidation,Au,H2, CO2, N2 (10 ppm CO),DMFC,陽極(PtRu/C):CH3OH + H2
6、O CO2 + 6H+ + 6e-,甲醇燃料電池,這種燃料電池以甲醇為能量來源,手機,筆記本電腦將不再用充電。,(3)磷酸燃料電池(PAFC),陽極燃料:氫氣或天然氣重整富 氫氣體,氫的陽極氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的陰極還原:Pt O2 + 4H+ + 4e- 2H2O,電解質(zhì):磷酸,陽極:碳載Pt 陰極:碳載Pt,磷酸燃料電池的優(yōu)點,用于大型發(fā)電機組上,已經(jīng)商業(yè)化 操作溫度較低,介于150-220,磷酸燃料電池的缺點,催化劑鉑價格昂貴 Pt容易與一氧化碳反應(yīng)而發(fā)生中毒現(xiàn)象 酸性電解液具有腐蝕作用,壽命小于40000小時,(4)熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC),陽極燃料:氫氣、煤
7、氣、天然氣 或沼氣,陰 極: O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32- 陽 極: 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e 總反應(yīng): O2 2H2 2H2O,電解質(zhì):52%碳酸鋰和48%碳酸鉀 的混合鹽,陽極:多孔鎳 陰極:鋰鎳氧化物,CO,CO,CO,30 KW電池系統(tǒng)流程圖,熔融碳酸鹽燃料電池的優(yōu)點,電解質(zhì)為碳酸鋰和碳酸鉀的低熔點混合物,性質(zhì)穩(wěn)定 陽極使用透氣性的多孔鎳,廉價 燃料多樣化,可使用煤氣、天然氣或沼氣(加重整器) 可回收利用廢熱,發(fā)電效率高,適合于集中型發(fā)電廠 電池價格低,熔融碳酸鹽燃料電池的缺點,操作溫度為600-700 oC,易導(dǎo)致電極腐蝕,(5)固體氧化物燃
8、料電池 (SOFC),陽極燃料:氫氣、煤氣、天然氣、沼氣,陽極材料:Ni-YSZ金屬陶瓷,陰極材料:參雜的LaMnO3或LaCoO3,電解質(zhì)為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯,電解質(zhì):固體陶瓷(YSZ),固體氧化物燃料電池的優(yōu)點,使用全固體組件,不存在對漏液、腐蝕的管理問題 廢熱可回收利用 適用于中等規(guī)模發(fā)電機組 可忍受較多的硫化物 不受CO影響,燃料范圍廣,包括H2,CO、天然氣、煤氣,碳氫化合物、NH3、H2S 電池價格低,固體氧化物燃料電池的缺點,操作溫度約1000 oC,電池啟動慢,需要保溫設(shè)備 不適用于交通工具和隨身攜帶,P170,四、汽車使用燃料電池的優(yōu)缺點,(1)優(yōu)點(P171) 能量轉(zhuǎn)換效率高(內(nèi)燃機汽車:11%;燃料電池40-70%),節(jié)能效果顯著 低污染(NOx、HC、SOx、微粒) 性能接近內(nèi)燃機汽車 過載能力強 結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn) 燃料來源豐富,缺點: 質(zhì)子交換膜燃料電池的原料單一 要求高質(zhì)量的密封 比功率還有待提高 催化劑成本高 需配備輔助電池系統(tǒng) 啟動性能較差 加氫站網(wǎng)絡(luò)投資大 行駛里程需進一步提升,課后習(xí)題,哪一種燃料電池必須使用純氧作為陰極的氧化劑? 簡述五種燃料電池的電解質(zhì)分別是什么?陰極和陽極之間傳輸?shù)碾x子分別是什么? 簡述質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理。,