第八章燃料电池教材课件.ppt

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1、,第八章 燃料电池,8.1 燃料电池的特征、类型、发展 8.2 燃料电池的构成部件 8.3 燃料电池的应用,定义,燃料电池(Fuel Cell)是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。,燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”,8.1 燃料电池的特征、类型、发展,类型,碱性燃料电池(AFC)磷酸燃料电池(PAFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)直接醇类燃料电池(DAFC)生物燃料电池(BFC)金属(Zn、Al、Mg)/

2、空气(H2O2)燃料电池,能量转化效率高,化学能直接转化为电能，无中间燃烧过程，不受卡诺循环限制。转换效率为45-60%，而火电和核电效率只有30-40%。高温燃料电池甚至高达85-90%。,环境友好,特点,富氢-氧燃料电池的CO2排放量比热机少40%；H2-O2燃料电池产物只有水。,安静、无噪音,依据电化学反应原理进行工作，运动部件少，噪音低。,启动速度快、可靠性高,PEMFC、DMFC启动仅需几秒，快速冷启动，各种应急电源和分布式空间电站,燃料电池低噪声,燃料电池系统 （Fuel cell systems),H2的来源,1.电解水2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学反应制备H2的

3、过程。甲醇天然气、丙烷气、丁烷气汽油、煤油等石油制品3.煤炭气化4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整,1）PEMFC已经在交通、运输、低容量分散电站等方面显示出良好的市场前景；2）PEMFC为动力的核潜艇续航能力约提高1倍，且安全性和隐蔽性显著提高；3）PEMFC在深海潜水、家庭用分散电站、移动电源、不间断电源等均显示出良好市场前景。4）低温SOFC的出现降低了电池系统的制造和运行成本，较常规燃料电池更具优势，燃料范围广(脱硫煤气、天然气、碳氢化合物等)；发电能力高。,发展前景,美国加利福尼亚的燃料电池发电厂,日本则武公司研制的甲醇燃料电池，功率达到160mW/cm2，性能约为原来的1

4、.5倍。原因在于有机物和无机物混合制作电解质材料，减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，提高了膜的形状稳定性。,这种燃料电池以甲醇为能量来源。,从此，手机、笔记本电脑将不再需要充电。,5）DAFC近年来被广泛关注，甲醇、乙醇液体燃料价格便宜，来源丰富，电池结构简单，体积小，使用方便，在国防通讯、作战武器电源等前景良好。6）DAFC技术挑战： 常温下醇类燃料的电氧化速率慢，电流密度低 贵金属催化剂成本高，且有CO气体放出 工作时甲醇从阳极到阴极的渗透率高，电池寿 命较短，性能较差,发展前景,8.2 燃料电池的构成部件,电极、隔膜、催化剂,电催化剂,定义：指在电场作用下，存在于电极表面或溶液相

5、的修饰物能够促进或抑制在电极表面发生的电子转移反应，而修饰物本身不发生化学反应的一种催化作用。,电催化剂的作用 初级效应：电极表面与反应物、产物、中间体之间相互作用次级效应：电极双电层结构对电极反应速率的影响,电化学反应分子或离子,催化剂双电层电场,活化、改变活化能,电子因素,几何因素,电催化剂种类,电催化剂直接影响燃料电池的性能、稳定性、使用寿命与商业成本，是燃料电池研制的关键材料之一。,对于熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）：阳极催化剂： Ni或Ni掺杂Cr、Al、Cu等阴极催化剂：NiO或NiO掺杂Ag、Co、Ge、LaO 对于固体氧化物燃料电池（SOFC）：阳极催化剂： Ni/YSZ (Y

6、2O3 -stabilized-ZrO2)阴极催化剂：Sr掺杂LaMnO3,（一）阳极电催化反应与电催化剂,1）氢气阳极电催化氧化反应,单晶Pt作催化剂,氢气析出,氢气氧化,吸附行为,结构敏感性,气相催化,Pt,H2-2e=2H+,2）甲醇阳极电催化氧化反应与电催化剂,催化剂：Pt/C，助催化剂：Ru/Pt,CH3OH,COad,HCHO/HCOOH,CO2,CO2,PtRu/Pt,电压：0.4-0.7V，决速步,高电压下：甲醇吸附位决速步骤,（二）氧阴极还原电催化剂,1）氧阴极还原反应(简称氧还原反应，ORR),反应原理,Griffith模式,Pauling模式,Bridge模式,O2向M的

7、d轨道提供电子，以削弱O-O键强度,若空间位置合适，O2的两个O原子将受到两个M活化，,电催化剂,Au、Ag表面易发生四电子反应，而Pt表面易发生二电子反应,ORR铂基电催化剂,金属铂的粒径和表面粗糙度是影响ORR催化活性的关键因素。当粒径为2-12nm时，随粒径减小催化活性降低，最佳粒径为4nm左右。,氧的电子轨道与铂dx2轨道重叠形成键和*键，削弱了O-O的键能，促使O-O断裂。,其它类型的ORR催化剂,过渡金属大环化合物：金属卟啉，酞菁,过渡金属原子簇合物：(MoM)X8 M: Os，Re，Ru；X: Se，Te，S,过渡金属氧化物和硫化物：M6X8 X: S，Se，Te,新型电催化剂-

8、碳复合材料 PtCNT，PtRuCNT，PtWO3CNT,它是燃料氧化与氧化剂还原的电化学反应场所。性能由触媒性能、电极材料及电极制程等决定。从性质上分为阳极和阴极，从材质上分为气体扩散电极和膜电极。200-500m厚；多孔结构提高气体与电极材料的接触面积，降低电极极化程度。 高温燃料电池的电极以触媒材料制成，如SOFC的Y2O3 -stabilized-ZrO2（简称YSZ）和MCFC的NiO电极等；低温燃料电池由气体扩散层支撑一薄层触媒材料构成，如PAFC与PEMFC的Pd电极等。,电极,膜电极材料的制备,电解质膜预处理,扩散层的制备,催化层的制备,热压成型,目的：清除表面有机、无机杂质方

9、法：80用H2O2溶液煮沸，水/烯酸/水洗,目的：多孔，增大燃料气的接触面积和电子迁移能力、热传导能力,由电催化剂，电子、质子导体，粘合剂，疏水剂组成；可化学沉积、喷涂、刮涂、溅射,便于封装,电解质隔膜的主要功能是分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，目前一般厚度10-100mm；材料方面：一是无机膜：先将石棉膜、SiC膜、LiAlO3膜等制成多孔隔膜，再浸入熔融锂-钾碳酸盐、KOH与H3PO4等中，使其附着在隔膜孔内， 二是有机膜：采用全氟磺酸树脂及YSZ。,电解质隔膜,Nafion膜,磺酸基团含量越高，质子传导能力越强，膜强度越低。,三星公司开发的电解质膜,

10、加拿大Ballard公司开发的电解质膜,Nafion膜,PP膜,1）燃料电池是能量转换装置，工作时必须有能量(燃料)输入，才能产出电能。普通蓄电池是能量储存装置，必须提前将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能。,燃料电池与普通电池的异同,相同点：1）都是通过化学反应将化学能转变为电能 2）都有正负极、电解质和外电路,不同点：,2）一旦燃料电池的技术性能确定后，其所能够产生的电能只和燃料的供应有关，供给燃料就能连续性产生电能。普通蓄电池的技术性能确定后，只能在其额定范围内输出电能，而且必须是重复充电后才可能重复使用，为间断性放电,3）燃料电池需要一套燃料储存或转换装置和附属设备，普通蓄电池没有

11、其他辅助设备,燃料电池与普通电池的异同,不同点：,4）燃料电池产生电能时消耗的燃料，不能重复使用。普通蓄电池的活性物质可以通过充电和放电进行再生,8.3 燃料电池的应用,碱性燃料电池(AFC),20世纪中期，随着载人航天飞行对高能量密度和高功率密度电源需求的不断增加，AFC研究呈现热潮,Apollo公司AFC,催化剂：Pt, Rh, Ag, Au及其合金；Co, Ni, Mn,电解质：KOH或NaOH溶液，导电离子：OH-主要应用于太空飞行中，如航天飞机动力源。阳极反应：H2+2OH- 2H2O + 2e-阴极反应：2e- + O2 + H2O2OH-电池反应：H2+O2H2O + 电能 +

12、热量反应温度：室温90（低温FC）电化学效率：60-70%，功率：300-5000W碱性介质中，CO2+2OH-CO32- + H2O生成的碳酸盐会堵塞电极材料表面的孔隙，降低了AFC长期运行的稳定性。,磷酸燃料电池(PAFC),以天然气、丙烷、丁烷或富氢气为燃料，为旅馆、公寓、商店提供电能。,美国UTC公司6组PAFC,PAFC是目前最成熟和商业化程度最高的燃料电池,催化剂：Pt或PtC,电解质：H3PO4溶液，导电离子：H+阳极通以富氢并含有CO2的重整气体，阴极通以空气，工作温度在200oC左右。燃料气体必须纯化，以避免铂催化剂被CO毒化。阳极反应：H2- 2e- 2H+阴极反应：O2+

13、 2H+ 2e-H2O电池反应：H2+ O2H2O特征：高效、紧凑、无污染，低噪音，反应温和,熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),以天然气、煤气、氢气为燃料，熔融Li2CO3、K2CO3、Na2CO3为电解质，CO32-为导电离子，工作温度650。,美国MTU公司的MCFC,催化剂：NiO,MCFC主要构成部件,阳极：H2+ CO32- - 2e- H2O + CO2阴极：O2+ CO2+ 2e-CO32-电池：H2+ O2H2O,阳极产生的CO2进入阴极，继续作为燃料，提高转换效率,4）电催化剂以镍为主，不使用贵金属。,优点：,1）在工作温度下，燃料在阳极处重整，提高转换效率，从而降低系统成本。

14、负极生成的CO2重整到正极作为燃料,2）MCFC的工作温度为600650oC，高温余热可用来压缩反应气体或用于供暖或锅炉循环。,3）几乎所有燃料重整都产生CO，它可使低温燃料电池电极催化剂中毒，但却可成为MCFC的燃料。,缺点：1）腐蚀，密封苛刻；2）使用寿命短,固态氧化物燃料电池（SOFC）,电解质：固体氧化物，导电离子：O2-构成部件：阴极、阳极、固体电解质隔膜（YSZ）和 双极板及联接材料等。,电解质为Y2O3-s-ZrO2；工作温度约为1000oC，不需要触媒重组器；燃料废热可回收再利用；可忍受较多的硫化物；不受CO影响；价格较低。,优点,缺点,温度高、启动慢,携带不方便,阳极：H2+ O2- - 2e- H2O 阴极：O2+ 4e- 2O2-电池：2H2+ O22H2O,质子交换膜燃料电池（PEMFC）,电解质；全氟磺酸型固体聚合物；燃料：H2或重整催化剂：Pt/C，Pt-Ru/C，电极：带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板,影响因素：温度压力杂质(如CO),电力密度高、重量轻、体积小电解质为离子交换膜 产物主要是水，无污染 工作温度：室温-100oC之间，安全 适用于交通工具、建筑物与小型小区,催化剂昂贵，但减少用量，操作温度会提升催化剂易中毒，因此不适合用于大型发电厂,本章小结,