第七章 燃料电池Fuel cellv早在年，英国科学 家威廉格罗夫就提出了氢 氧燃料电池的原理。一、 前言 1960s，美国阿波罗宇宙 飞船上开始使用碱性燃料 电池。燃料电池的优点v 将化学能直接转化为电能。它没有像通常的火力发电机那样 通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间 的转换损失，达到很高的发电效率。v燃料电池构造简单，噪音小。v理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的 转化为动能，而内燃机只能达到。 燃料电池汽车的发展与现状v1993年，加拿大巴拉德动力系统公司P.158 163二、燃料电池的分类（1 1）碱性燃料电池碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, Alkaline Fuel Cell, AFCAFC） （2 2）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFCPEMFC）（3 3）磷酸燃料电池磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFCPAFC）（4 4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（Molten CarbonateMolten Carbonate Fuel Cell, Fuel Cell, MCFCMCFC） （5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）（一）根据燃料电池电解质的不同（二）根据操作温度来分类（1）低温型PEMFC(80-100 oC)AFC(60-220 oC)PAFC(180-200 oC) （2）中温型 MCFC(650 oC) （3）高温型 SOFC(1200 oC) 三、不同燃料电池的工作原理 （1 1）碱性燃料电池碱性燃料电池 （Alkaline Fuel Cell, Alkaline Fuel Cell, AFCAFC） 阳极反应 2H2+4OH-4H2O+4e- 阴极反应 4e-+O2+2H2O 4OH- 总反应 2H2+O2 2H2O阳极燃料：纯氢阳极：碳载的Pt、Pd、Ni阴极：碳载的Pt、Ag电解质：35-50%KOH溶液v可使用非贵金属为电极催化剂，例如银、镍等v操作时所需温度较低，为100 oC-250 oCv化学反应快且转化效率高碱性染料电池的优点：碱性染料电池的缺点：v电解质腐蚀严重，寿命较短v燃料必须是高纯度的氢v碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成 碳酸钾，影响电解质的品质，导致发电性能衰退,要使用 纯氧做氧化剂 （2 2）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC）氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O阳极燃料：氢气或甲醇电解质：磺酸型质子传导膜阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt质子交换膜燃料电池的优点质子交换膜燃料电池的优点v易组装、高功率、低重量、低体积v电解质为离子交换膜，无腐蚀，薄膜的表面涂有可以加速反 应的催化剂（大部分为金属铂）v唯一液体是水，腐蚀小v操作温度低，介于80-100，比较安全，且可室温快速启动v适用于交通工具、便携设备、建筑物与小型社区质子交换膜燃料电池的缺点质子交换膜燃料电池的缺点v催化剂铂价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升v铂容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v固体电解质昂贵 单电池组装单电池组装前前氢气氢气端端 bipolar platebipolar plate氧氧气气端端 bipolar platebipolar plateMEAMEA夹于夹于 其间其间单电单电池池 (Single Cell)(Single Cell)进气进气流道流道车载的甲醇重整制氢装置 Fe2O3 或CuONiSelective oxidationAuH2, CO2, N2 (10 ppm CO)DMFC阳极（PtRu/C）：CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-阴极（Pt/C）：3/2O2 + 6H+ + 6e- 3H2O甲醇燃料电池这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。（3 3）磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PAFCPAFC）阳极燃料：氢气或天然气重整富 氢气体氢的阳极氧化: Pt2H2-4e-4H+氧的阴极还原:PtO2 + 4H+ + 4e- 2H2O电解质：磷酸阳极：碳载Pt阴极：碳载Pt磷酸燃料电池的优点磷酸燃料电池的优点v用于大型发电机组上，已经商业化v操作温度较低，介于150-220磷酸燃料电池的缺点磷酸燃料电池的缺点v催化剂铂价格昂贵vPt容易与一氧化碳反应而发生中毒现象v酸性电解液具有腐蚀作用，寿命小于40000小时 （4 4）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 （MCFCMCFC） 阳极燃料：氢气、煤气、天然气 或沼气阴 极： O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32- 阳 极： 2H2 + 2CO32- 2CO2+2H2O+4e 总反应： O2 2H2 2H2O电解质：52%碳酸锂和48%碳酸钾的混合盐阳极：多孔镍阴极：锂镍氧化物COCOCO30 KW电池系统流程图熔融碳酸盐燃料电池的优点熔融碳酸盐燃料电池的优点v电解质为碳酸锂和碳酸钾的低熔点混合物，性质稳定v阳极使用透气性的多孔镍，廉价v燃料多样化，可使用煤气、天然气或沼气（加重整器）v可回收利用废热，发电效率高，适合于集中型发电厂v电池价格低熔融碳酸盐燃料电池的缺点熔融碳酸盐燃料电池的缺点v操作温度为600-700 oC，易导致电极腐蚀（5 5）固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 （SOSOFCFC） 阳极燃料：氢气、煤气、天然气 、沼气阳极材料：Ni-YSZ金属陶瓷 阴极材料：参杂的LaMnO3或 LaCoO3电解质为氧化钇稳定的氧化锆电解质：固体陶瓷（YSZ）固体氧化物燃料电池的优点固体氧化物燃料电池的优点v使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题v废热可回收利用v适用于中等规模发电机组v可忍受较多的硫化物v不受CO影响，燃料范围广，包括H2，CO、天然气、煤气， 碳氢化合物、NH3、H2Sv电池价格低固体氧化物燃料电池的缺点固体氧化物燃料电池的缺点v操作温度约1000 oC，电池启动慢，需要保温设备v不适用于交通工具和随身携带低温燃料电电池（60220) 中温型 高温型 650 oC 1000 oC类类型 AFC 碱性燃料电池 PEMFC 质子交换或固 体聚合物燃料电 池PAFC 磷酸燃料电池 MCFC 熔融碳酸燃料 电池 SOFC 固态氧燃料电 池 特性 无污染,电效率 高制造费用非常 贵,不适合于工 业应用少维护污染排放在很低 的水平,低噪音, 固体电解质适 合于大规模生 产,与常规技术 相比很贵低污染, 低噪 音,是热电联产 电厂的三倍费 用, 随着连 续运行电效率 降低有效利用能源, 低噪音,没有外 部气体配置, 腐 蚀性电解液有效利用能源, 低噪音, 没有外 部气体配置,腐 蚀性电解液对 材料的要求非 常苛刻 电电解体氢氧化钾溶液 质子交换膜 磷酸 碳酸锂和碳酸 钾 固体陶瓷体 燃料纯氢 氢，甲醇 天然气，氢 天然气煤气 沼气 天然气煤气 沼气 氧化剂剂纯氧大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 大气中的氧气 系统统的电电效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% P170四、汽车使用燃料电池的优缺点（1）优点（P171）v能量转换效率高（内燃机汽车：11%；燃料 电池40-70%），节能效果显著v低污染（NOx、HC、SOx、微粒）v性能接近内燃机汽车v过载能力强v结构简单、运行平稳v燃料来源丰富缺点：v质子交换膜燃料电池的原料单一v要求高质量的密封v比功率还有待提高v催化剂成本高v需配备辅助电池系统v启动性能较差v加氢站网络投资大v行驶里程需进一步提升课后习题v哪一种燃料电池必须使用纯氧作为阴极的氧 化剂？v简述五种燃料电池的电解质分别是什么？阴 极和阳极之间传输的离子分别是什么？v简述质子交换膜燃料电池的工作原理。