工业催化燃料电池ppt讲解课件.ppt
燃料电池,柯 涛 张志鹏施民辉刘 春,燃料电池的简单介绍,2008 年以来，最新一代的本田和通用氢燃料电池汽车示范工程冲击着商业化之路。通用在纽约、加利福尼亚州和华盛顿特区投放了由100 辆雪佛兰Equinox 氢燃料电池汽车组成的车队。,2009 年5 月26 日，由世界七大汽车制造商制造的12辆各种氢燃料电池轿车和燃料电池SUV 从美国加利福尼亚州的圣地亚哥出发，进行了为期9 天的氢公路旅行，行程约2700km沿途停靠28 个城市，终点为加拿大温哥华市，氢燃料电池车的优异性能给许多人留下了深刻的印象。,在德国，奔驰公司发布了最新的燃料电池车200 系列产品和Citaro 柴油-电力混合动力车和质子动力的三重混合动力客车（由燃料电池、电池和超电容器供电）；该车已经经过了450 万km 的道路测试。从2010 年起，汉堡陆续接收了20 辆配有燃料电池驱动系统的梅塞德斯-奔驰B 级燃料电池车。,中国在2008 年北京奥运会上成功组织和进行了23 辆燃料电池汽车的示范，2010 年上海世博会则投入近200 辆燃料电池车辆作为观光和服务用车。,燃料电池定义,燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。,燃料电池优点,1）由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量具有自由度；部分负荷时也能保持高的效率；2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；3） 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率；,燃料电池优点,4)转换效率高，可达60% ；5)没有运转部件，噪音小； 6)NOx及SOx等的排出量少，有利环保,若以氢为燃料，排放是水，电池部分可实现“零排放”,燃料电池的缺点,燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈1.燃料电池造价偏高： 车用PEMFC之成本中质子交换隔膜约占成本的35%;铂触媒约占40%，二者均为高贵材料。,2.反应/启动性能 ： 燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。,3.碳氢燃料无法直接利用： 除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。,4.氢燃料基础建设不足： 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全世界充氢站仅约70站，仍值示范推广阶段。此外，加气时间颇长，约需时5分钟，尚跟不上工商时代的步伐。,5.氢气储存技术： 目前FCV的氢燃料是以压缩氢气为主，车体的载运量因而受限，每次充填量仅约2.53.5公斤，尚不足以满足现今汽车单程可跑480650公里的续航力。以-253保持氢的液态氢系统虽已测试成功，但却有重大的缺陷：约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温，使氢维持于液态，且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5,燃料电池发明历史,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。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波,罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。,燃料电池的发展现状,PEM：质子交换膜燃料电池； DMFC：直接甲醇燃料电池；SOFC：固体氧化物燃料电池； MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池；AFC：碱性燃料电池； PAFC：磷酸盐型燃料电池,燃料电池电极反应及其工作原理,电极反应,由两个电极（正极和负极）组成的电化学电池有一总反应式，即A氧化1+B还原1C还原2+D氧化2 中的负极反应或为H2直接氧化，或为甲醇氧化。间接氧化是通过一重整步骤发生的。正极反应总是还原，在绝大多数情况下，氧来自于空气。,燃料电池的工作原理,燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。,燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。,工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。,一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极,H2O2燃料电池,燃料电池的类型,1.按燃料电池的运行机理分,酸性燃料电池碱性燃料电池,2.按燃料类型分,氢燃料电池甲烷燃料电池 甲醇燃料电池 乙醇燃料电池,3.按照电解质的种类分,碱性燃料电池（AFC）：采用氢氧化钾溶液作为电解液磷酸盐型燃料电池（PAFC）：采用200高温下的磷酸作为其电解质熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）：采用熔融态碳酸盐作为其电解质固体氧化物型燃料电池（SOFC）：采用固态电解质质子交换膜燃料电池（PEMFC）：采用极薄的塑料薄膜作为其电解质,AFC多以直接供氢气作为燃料，电解质为高浓度的KOH溶液，电化学活性高，。 阳极反应：阴极反应：碱性燃料电池的工作温度大约80。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。,3.1碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC）,碱性燃料电池的结构（自由电解质型）,AFC的优点是：效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；因为是碱性介质，可以用非铂催化剂； 因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。AFC的缺点是：因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。,3.2磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC）,PAFC是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在180200工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 阳极反应：阴极反应：,磷酸燃料电池特点：,排气清洁。燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有NOX,SOX。发电效率高。燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的，所以能量变换损失少。低噪音，低振动。不伴有旋转机械的发电方式，所以是在低噪音、低振动下运转。,3.3熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC),MCFC操作温度600700，可采用内重整方式供给燃料（氢气或甲烷),也可以粗制氢气作燃料。阳极为烧结的多孔镍，阴极为含Li的NiOx。阳极反应：阴极反应：,MCFC的特点：,这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。在这样高的温度下，尽管硫仍然是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题了，且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。如果其浪费的热量能够加以利用，其潜在的效率可高达80%。不过，高温也会带来一些问题。这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输，其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安全。但是，其较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气轮机则具有较大的吸引力。目前的示范电池可产生高达2 MW的电力，50-100 MW容量的电力设计业已提到议事日程。,3.4固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC）,SOFC是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。在这种燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。阳极反应：H2 + O2- H2O + 2e- CO + O2- CO2 + 2e-阴极反应: O2 + 4 e- 2O2-,SOFC的特点：,较高的电流密度和功率密度；阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80左右，是一种清洁高效的能源系统；广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；陶瓷电解质要求中、高温运行(6001000)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。,3.5质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC）,PEMFC的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。 工作时，氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。下图是质子交换膜燃料电池工作原理示意图阳极反应：阴极反应：,500kw质子交换膜燃料电池,质子交换膜燃料电池具有如下优点： 其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等。质子交换类膜存在下述缺点： 制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为7090，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。,各种类型燃料电池的比较,燃料电池的应用前景及发展趋势,主要应用：1.在移动装置上 2.空间领域3.军事上 4.运输上 5固定应用,燃料电池在移动装置上的应用：,伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。 目前，美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话，而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。,苹果新型氢燃料电池 移动装置可撑数周,燃料电池在空间领域的应用：,燃料电池最早和最成功的应用始于20世纪50年代，它被用作航天飞船的动力源。由于燃料电池相对于其他动力能源来说有很高的效率，因而可极大的减少体积和重量。对于航天器说，减轻重量是很重要的！燃料电池没有同时在其他方面得到应用，主要的原因是当时的燃料电池造价昂贵；因此，降低燃料电池的造价是多年来研究和开发的主要内容,燃料电池在军事上的应用：,燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。在军事上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性，其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应。此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的事情。同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可以显著的减少。 自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。,军事上应用发电机,燃料电池在居民家庭中的应用：,低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能被广泛地应用，美国，日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。规模组合发电站的规模不足20KW，普通发电站难以做到这么小的规模，这类发电站在家庭方面将有广泛的应用前景。,发电单元,储水槽,燃料电池在运输上的应用：,在世界各地，国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆，燃料电池可为这种要求带来实质的机遇。 研究指出：当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。,燃料电池汽车,燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，它所产生的副产品只有水和热。它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走。燃料电池车的基本结构如右图所示,同济大学参与研制的燃料电池轿车。它能在14秒内加速到80公里，最高时速达110公里，可连续行驶210公里。在车后行李箱内，放置的是可充气的氢气瓶，燃料氢气从这里沿管道进入反应器，和空气中的氧气结合释放能量，提供汽车前进的动力。为安全起见，在后厢内安装了监测器，一旦氢气浓度升高，它会及时报警。经测试该车在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。,超越二号,通用Hy-wire氢动三号,由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程可达400公里,燃料电池的能量密度理论上可为锂离子电池的五至十倍以上，目前技术上已可达三至五倍；此外，燃料电池无须电源、稳压器充电，完全摆脱充电的负担与限制，取而代之的补充供电燃料仅需数秒钟时间，为使用者提供极大的方便。 因此，对微小型燃料电池而言，庞大的市场诱因和特性优势，势必大幅加速相关技术的成熟发展。 燃料电池种类繁多，最适合可携式微小型系统者，包括质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell；PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell；DMFC），此二者皆能在室温下运作，具备体积小、重量轻、方便电池堆设计等优点。其中，直接甲醇燃料电池储存与运送远较氢气方便及安全，且取得容易，成本低，因此更符合可携式电子产品的需求。此外，利用微型重组（MicroReformer）将甲醇转化产生氢气燃料，都是微小型燃料电池可能的发展方向。,微小型燃料电池系统发展趋势,小型燃料电池发展趋势,近年来可携式电子产品快速发展，包括手机、笔记型计算机、个人数字助理（PDA），乃至数字相机及摄影机等，造就庞大的市场和商机；然而，随着产品功能的增强，系统对于电能的需求更高，一个小而轻、续电时间更长的电池，将是所有消费者一致的要求。,展望与结语,（1）高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、清洁发电技术中占有一席之地（2）资金、技术、观念、基础设施上还有许多需要克服的困难,未来我们或许可以将电厂装在手提包中随身携带，只要我们将燃料电池连接到电器上，一切就搞定了,谢谢您的聆听,
