燃料电池燃料电池的历史和发展燃料电池的特点和分类质子交换膜燃料电池国内外燃料电池的发展状况GO！ 燃料电池燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。力和核能发电之后的第四类发电技术。它是一种它是一种不经过燃烧不经过燃烧直接以直接以电化学反应电化学反应方式方式将燃料和氧化剂的将燃料和氧化剂的化学能转变为电化学能转变为电能的高效发电装置。能的高效发电装置。 1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。由于氢气在自然界不能自由地得到，在随后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃料，但均未获得成功。1866年， 人们发现了机-电效应。这一发现启动了发电机的发展，并使燃料电池技术黯然失色。 1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，但燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展。 试验电厂中的燃料电池组燃料电池的历史和发展NEXT 20世纪世纪60年代初由于航天年代初由于航天和国防的需要，才开发了液氢和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。从此，于空间飞行和潜水艇。从此，氢氧燃料电池广泛应用于宇航氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的领域，同时，兆瓦级的磷酸燃磷酸燃料料电池也研制成功。电池也研制成功。 空间站电力系统工作原理图空间站电力系统工作原理图 从从8080年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。等各个领域中得到应用。 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。 燃料电池发生电化学反应的燃料电池发生电化学反应的实质实质是是燃烧反燃烧反燃烧反燃烧反应应应应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含负极本身不包含活性物质活性物质，只是起催化转换作，只是起催化转换作用或传导电流的作用。所需用或传导电流的作用。所需燃料燃料燃料燃料(氢或通过甲烷、氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取或生物能源重整制取)和和氧氧氧氧(或空气或空气)不断由外界不断由外界输入，因此燃料电池是输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转名符其实的把化学能转名符其实的把化学能转名符其实的把化学能转化为电能的装置。化为电能的装置。化为电能的装置。化为电能的装置。 中间未经燃烧中间未经燃烧。燃料电池的特点 燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断提供的。它具有以下优点：能能 量量 转转 换换 效效 率率 高高能能 量量 转转 换换 效效 率率 高高污污 染染 小小 、 噪噪 声声 低低污污 染染 小小 、 噪噪 声声 低低高高度度可可靠靠性性高高度度可可靠靠性性适适应应能能力力强强适适应应能能力力强强操操作作简简单单操操作作简简单单灵灵活活性性大大灵灵活活性性大大建建设设周周期期短短建建设设周周期期短短比比比比 能能 量量 或或 比比 功功 率率 高高能能 量量 或或 比比 功功 率率 高高 3.3.基本组成基本组成(1)电极：电极： 可以由具有催化活性的材料组成；也可以由具有催化活性的材料组成；也可以只作为电化学反应的载体和反应电流可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。的传导体。(2)电解质：电解质： 可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。 (3)燃料：燃料： 气体（如气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体和碳氢化合物）。液体(CH3OH、高价碳氢化合物）也可以是固体（金高价碳氢化合物）也可以是固体（金属氢化物）属氢化物） (4)氧化剂：氧化剂：相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧气气O2 、空气或卤素、空气或卤素X2都可以胜任，而空气是最便宜都可以胜任，而空气是最便宜的氧化剂的氧化剂。燃料电池的分类高温型高温型中温型中温型低温型低温型按按工作温度工作温度按按燃料来源燃料来源直接式燃料电池（直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池如直接甲醇燃料电池 ）间接式燃料电池（间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池的燃料为燃料电池的燃料 ）再生类型再生类型NEXTBACK按按电解质类型电解质类型磷酸盐型燃料电池（磷酸盐型燃料电池（磷酸盐型燃料电池（磷酸盐型燃料电池（PAFCPAFC）熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFCMCFC）固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFCSOFC）碱性燃料电池（碱性燃料电池（碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFCAFC）质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC）磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Pt 负极：高分散负极：高分散Pt电解质：电解质： 浓浓H3PO4工作温度：工作温度：180210燃料：燃料： H2电池反应电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O优点：优点：抗抗CO2，可应用于独立电站可应用于独立电站缺点：缺点：贵金属催化剂对贵金属催化剂对CO敏感敏感1，电解质电导率低，电解质电导率低电极反应电极反应：负极：负极：2H2 - 4e=4H 正极：正极：O2 + 4H + 4e = 2H2O+熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Ni 负极：高分散负极：高分散Ni电解质：电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作温度：工作温度：600700燃料：燃料： CO 或或 H2电池反应电池反应: 2CO + O2 = 2CO2优点：优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕催化剂不怕CO中毒中毒缺点：缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀腐蚀电极反应电极反应: 负极：负极：2CO 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO32-2-碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Ni 负极：高分散负极：高分散Ni电解质：电解质： KOH 或或 NaOH工作温度：工作温度：室温室温100燃料：燃料： H2 电池反应电池反应: 2H2+O2=2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极：2H2 + 4OH 4e = 4H2O 正极：正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH-固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFC）电极材料：电极材料： 正极：多孔正极：多孔Ni 负极：多孔负极：多孔Ni电解质：电解质： ZrO2工作温度：工作温度：9001000燃料：燃料： H2 或或CO电池反应电池反应: 2H2+O2=2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极：2H2 + 2O 4e = 2H2O 正极：正极：O2 + 4e = 2O2-2-质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC）电极材料：电极材料： 正极：高分散正极：高分散Pt 负极：高分散负极：高分散Pt ( Ru )电解质：电解质： 质子交换膜质子交换膜工作温度：工作温度：25125燃料：燃料： H2 或甲醇或甲醇电池反应电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O优点：优点：无需贵金属催化剂，无需无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高再循环，效率高缺点：缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵电极反应电极反应: 负极：负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极：正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O+典型的典型的PEMFC结构结构PEMFC箱体箱体5KW电池组电池组（第一代）（第一代）200W电池组（第一代）电池组（第一代）PEMFC试验电厂试验电厂HOME表1.1 燃料电池的分类1质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池以质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜磺酸型质子交换膜磺酸型质子交换膜磺酸型质子交换膜为固体电解质为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上上 。 H2-O2质子交换膜燃料电池以质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为为燃料，理论电动势为1.229V,工作电压为工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用的此电池制作较简单，寿命长，但使用的贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题，贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题， 人们开始人们开始用甲醇，天然气等作为用甲醇，天然气等作为PEMFC的燃料。的燃料。BACKNEXT中国矿业大学化工学院 应化系下一页最后页上一页第一页 图图3.6 DMPEMFC原理图原理图 有机小分子作为有机小分子作为PEMFC燃料有以下优点：燃料有以下优点：常温常压下为液体，携带和储存都很方便常温常压下为液体，携带和储存都很方便常温常压下为液体，携带和储存都很方便常温常压下为液体，携带和储存都很方便燃料最终产物是燃料最终产物是燃料最终产物是燃料最终产物是COCO2 2和水，污染极小和水，污染极小和水，污染极小和水，污染极小来源丰富，价格低廉来源丰富，价格低廉来源丰富，价格低廉来源丰富，价格低廉无无无无C-CC-C键束缚，电化学活性高键束缚，电化学活性高键束缚，电化学活性高键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。NEXTBACK 尽管尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达具有无可比拟的优点，但要达到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的也只有也只有0.10W/cm2。而要达到实际应用，必须达到而要达到实际应用，必须达到0.25W/cm2以上，同时使电池满足性能高，寿命长以上，同时使电池满足性能高，寿命长和价格低三个条件。和价格低三个条件。 目前限制目前限制DMPEMFC实际应用的主要问实际应用的主要问题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活性，降低催化剂的用量，降低或消除催化性，降低催化剂的用量，降低或消除催化剂的毒化。剂的毒化。BACKNEXT国内外燃料电池的发展状况国外：国外：国内：国内：THE END！