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第七章 燃料电池,Fuel cell,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,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。 燃料电池构造简单，噪音小。 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,1993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）碱性燃料电池 （Alkaline Fuel Cell, AFC）,（2）质子交换膜燃料电池 （Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）,（3）磷酸燃料电池 （Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）,（4）熔融碳酸盐燃料电池 （Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）,（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）碱性燃料电池 （Alkaline Fuel Cell, AFC）,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,可使用非贵金属为电极催化剂，例如银、镍等 操作时所需温度较低，为100 oC-250 oC 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：,电解质腐蚀严重，寿命较短 燃料必须是高纯度的氢 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）质子交换膜燃料电池（PEMFC）,氢的阳极氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的阴极还原:Pt O2 + 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,易组装、高功率、低重量、低体积 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） 唯一液体是水，腐蚀小 操作温度低，介于80-100，比较安全，且可室温快速启动 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,催化剂铂价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升 铂容易与一氧化碳反应而发生中毒现象 固体电解质昂贵,单电池组装前,氢气端 bipolar plate,氧气端 bipolar plate,MEA夹于其间,单电池 (Single Cell),进气流道,车载的甲醇重整制氢装置,Fe2O3或CuO,Ni,Selective oxidation,Au,H2, CO2, N2 (10 ppm CO),DMFC,阳极（PtRu/C）：CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-,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）磷酸燃料电池（PAFC）,阳极燃料：氢气或天然气重整富 氢气体,氢的阳极氧化: Pt 2H2-4e-4H+ 氧的阴极还原:Pt O2 + 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,用于大型发电机组上，已经商业化 操作温度较低，介于150-220,磷酸燃料电池的缺点,催化剂铂价格昂贵 Pt容易与一氧化碳反应而发生中毒现象 酸性电解液具有腐蚀作用，寿命小于40000小时,（4）熔融碳酸盐燃料电池 （MCFC）,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,CO,CO,CO,30 KW电池系统流程图,熔融碳酸盐燃料电池的优点,电解质为碳酸锂和碳酸钾的低熔点混合物，性质稳定 阳极使用透气性的多孔镍，廉价 燃料多样化，可使用煤气、天然气或沼气（加重整器） 可回收利用废热，发电效率高，适合于集中型发电厂 电池价格低,熔融碳酸盐燃料电池的缺点,操作温度为600-700 oC，易导致电极腐蚀,（5）固体氧化物燃料电池 （SOFC）,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,使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题 废热可回收利用 适用于中等规模发电机组 可忍受较多的硫化物 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、H2S 电池价格低,固体氧化物燃料电池的缺点,操作温度约1000 oC，电池启动慢，需要保温设备 不适用于交通工具和随身携带,P170,四、汽车使用燃料电池的优缺点,（1）优点（P171） 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 低污染（NOx、HC、SOx、微粒） 性能接近内燃机汽车 过载能力强 结构简单、运行平稳 燃料来源丰富,缺点： 质子交换膜燃料电池的原料单一 要求高质量的密封 比功率还有待提高 催化剂成本高 需配备辅助电池系统 启动性能较差 加氢站网络投资大 行驶里程需进一步提升,课后习题,哪一种燃料电池必须使用纯氧作为阴极的氧化剂？ 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？ 简述质子交换膜燃料电池的工作原理。,
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