燃料電池專題(jia)

1、專題1. 燃料燃料電池電池 (Fuel Cell) 賈賈 二二 廣廣 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 燃料電池的簡(jiǎn)介燃料電池的簡(jiǎn)介1 燃料電池的概念、發(fā)展史燃料電池的概念、發(fā)展史2 燃料電池的原理以及分類燃料電池的原理以及分類3 磷酸燃料電池磷酸燃料電池4 質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池5 現(xiàn)今發(fā)電方式的瓶頸 n一般我們熟知的發(fā)電方式就是利用燃料(石 油、瓦斯、汽油、核能等)通過化學(xué)變化產(chǎn) 生熱能之后，間接利用水蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)來 產(chǎn)生電能。 n這樣的能量轉(zhuǎn)換過程需要經(jīng)過許多程序，相 對(duì)其轉(zhuǎn)換的過程中也消耗了許多不必要的浪 費(fèi)，以至于最后變成電能的效率通常都只剩 下_左右。 30% 圖片取自新核家園網(wǎng)站

2、 1. 1. 燃料電池的簡(jiǎn)介燃料電池的簡(jiǎn)介 未來的希望 n若可以不要經(jīng)過這些復(fù)雜且不必要的化學(xué) 變化，而是直接將燃料轉(zhuǎn)換成電能，理論 上就可以大幅提高能源轉(zhuǎn)換的效率！ 誰會(huì)是明日之星？！ 燃料電池 2.2.燃料電池的概念、原理和發(fā)展史燃料電池的概念、原理和發(fā)展史 n以以特殊催化特殊催化劑劑使使燃料燃料與與氧氧氣氣發(fā)發(fā)生反生反應(yīng)產(chǎn)應(yīng)產(chǎn)生生 二氧化碳（二氧化碳（CO2）和水（）和水（H2O），因不需），因不需 推推動(dòng)滑輪等發(fā)電動(dòng)滑輪等發(fā)電器具，也不需器具，也不需將將水加水加熱熱至至 水蒸水蒸氣再經(jīng)散熱變回氣再經(jīng)散熱變回水，所以水，所以能量能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效效 率率高高達(dá)達(dá)70% 80%左右，足足比一般

3、左右，足足比一般發(fā)電發(fā)電 方法高出了方法高出了40%以上。以上。 燃料電池登場(chǎng) n燃料的燃料的選擇選擇性非常高，包括性非常高，包括氫氣氫氣、甲醇、乙醇、天然、甲醇、乙醇、天然氣氣， 甚至甚至于于現(xiàn)在現(xiàn)在運(yùn)用運(yùn)用最最廣廣泛的汽油，都可以泛的汽油，都可以作為作為燃料燃料電池電池的的 燃料燃料。 燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高 l 汽油柴油發(fā)電機(jī)：汽油柴油發(fā)電機(jī)：35-40%35-40%； 太陽能轉(zhuǎn)換裝置：太陽能轉(zhuǎn)換裝置：7-35%7-35%； 核能轉(zhuǎn)換裝置：理論核能轉(zhuǎn)換裝置：理論60%60%，實(shí)際，實(shí)際1%1%； 燃料電池：理論燃料電池：理論80%80%，實(shí)際，實(shí)際60-70%60-

4、70%。 燃料電池登場(chǎng) 燃料燃料電池電池(Fuel Cell)? Anode(陽極,燃料端) reaction: H2 2H+ + 2e- Cathode(陰極,氧氣端) reaction: O2 + 2H+ + 2e- H2O Overall reaction: H2 + O2 H2O + Heat + We 燃料燃料電池電池是一是一 種使用種使用燃料燃料進(jìn)進(jìn) 行化學(xué)反應(yīng)直行化學(xué)反應(yīng)直 接產(chǎn)生電接產(chǎn)生電力的力的 裝置裝置 它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電儲(chǔ)電”而是一個(gè)而是一個(gè)“發(fā)電發(fā)電 廠廠”。 燃

5、料電池的工作原理（以燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池氫氧磷酸型電池為例）為例） （1 1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應(yīng)：）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應(yīng)： （2 2）氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。電子則通過外電路及負(fù)）氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極。電子則通過外電路及負(fù) 載也達(dá)到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應(yīng)式為：載也達(dá)到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應(yīng)式為： （3 3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應(yīng)為：）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應(yīng)為： 伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣 的

6、供給，該燃料電池就會(huì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。的供給，該燃料電池就會(huì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。 eHH22 2 OHOeH 22 2 1 22 OHOH 222 22 H2 e- H+ H+ e- O2 H2 e- e- H+ H+ H2O H2O 燃料燃料電池的優(yōu)勢(shì)電池的優(yōu)勢(shì) n低污染低污染 n高效率高效率 n無無噪音噪音 n用途用途廣廣 n免充免充電電 n燃料燃料來源廣來源廣 燃料電池比一般發(fā)電方式更 為清潔，若用氫氣作為燃料， 其排放物是可供飲用的水和 可以利用的熱能。 發(fā)電主體不含迴轉(zhuǎn)機(jī)件時(shí)則 無噪音問題，若需散熱則有 風(fēng)扇的雜音。 燃料電池所能提供的電力範(fàn) 圍廣泛(1W1000MW)，因此 可應(yīng)

7、用的產(chǎn)品也多。 一般電池係將能源貯藏於電 池本體中，待用完後即需捨 棄或重新充電，以恢復(fù)電力。 燃料電池的能源是由燃料中 的化學(xué)能所提供，不含在電 池本體結(jié)構(gòu)中，因此只要燃 料源源不絕的供應(yīng)，燃料電 池便可以不停的發(fā)電。 只要含有氫原子的化石能源 如天然氣、石油、煤炭等氣 化產(chǎn)物，或是沼氣、酒精、 甲醇等，都可作為燃料電池 的能源進(jìn)料。 因?yàn)槿剂想姵刂苯訉⑷剂现?的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，故不 受卡諾循環(huán)的限制。 n18391839年年，由英，由英國國法官威廉葛洛夫法官威廉葛洛夫(William Grove)(William Grove)在在 一次一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中意外中意外發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了燃料了燃料電池電池

8、的的發(fā)電發(fā)電原理；但原理；但當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí) 因因?yàn)殡姌O為電極材料材料問題問題，使，使這項(xiàng)發(fā)這項(xiàng)發(fā)明未受明未受重視重視。 n19591959年年，法蘭西斯法蘭西斯培根培根(Francis T. Bacon)(Francis T. Bacon)制作制作出一出一 個(gè)個(gè)5kW5kW的燃料的燃料電池組電池組，能，能夠夠推推動(dòng)動(dòng)高耗能高耗能電電器，使器，使這項(xiàng)這項(xiàng) 技術(shù)技術(shù)得以走出得以走出實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室。 n其其后后使用使用氫氣為氫氣為燃料的燃料的堿性堿性燃料燃料電電池池(AFC)(AFC)更成功的更成功的 應(yīng)用應(yīng)用在太空梭的在太空梭的電力供應(yīng)系統(tǒng)電力供應(yīng)系統(tǒng)；加上；加上產(chǎn)物產(chǎn)物是是純凈純凈的水，的水， 故也成故

9、也成為為太空人太空人飲用飲用水的水的來來源之一源之一。 1 1、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。 2. 2. 按電解質(zhì)的種類不同按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì) 2.1堿性燃料電池（AFC）、 2.2質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 2.3磷酸燃料電池（PAFC）、 2.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、 2.5固體氧化物燃料電池（SOFC）、 3. 3. 按燃料類型分按燃料類型分 3.1氫燃料電池 3.2甲烷燃料電池 3.3甲醇燃料電池 3.4乙醇燃料電池 4.

10、4. 按燃料電池工作溫度分按燃料電池工作溫度分： 有低溫型，溫度低于有低溫型，溫度低于200；中溫型，溫度為；中溫型，溫度為200750；高溫型，溫度高于；高溫型，溫度高于750 燃料電池的分類燃料電池的分類 （1）按照運(yùn)行機(jī)理）按照運(yùn)行機(jī)理 堿性燃料電池堿性燃料電池 酸性燃料電池酸性燃料電池 n1. 1. 酸性條件下（如稀硫酸時(shí)酸性條件下（如稀硫酸時(shí)酸性環(huán)境傳遞酸性環(huán)境傳遞H+H+） 負(fù)極：2H2 - 4e- = 4H+ 正極：O2+4e-+4H+=2H2O n2. 2. 堿性條件下堿性條件下( (如電解質(zhì)溶液為如電解質(zhì)溶液為30%30%的的KOHKOH溶液溶液堿性環(huán)境傳遞堿性環(huán)境傳遞OH-

11、OH-） 負(fù)極：2H2+4OH- - 4e-=4H2O 正極：O2+4e-+2H2O=4OH- n3 3、當(dāng)電解質(zhì)溶液接近中性時(shí)：、當(dāng)電解質(zhì)溶液接近中性時(shí)： 正極：O2+4e-+2H2O=4OH- 負(fù)極：2H2- 4e-=4H+ 燃料電池正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)燃料電池正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng) n1.1.質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜燃料燃料電電池池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC） n2.2.堿性堿性燃料燃料電電池池（alkaline fuel cell, AFC） n3.3.磷酸燃料磷酸燃料電電池池（phosphoric acid fuel cell, PAF

12、C） n4.4.熔融碳酸熔融碳酸鹽鹽燃料燃料電電池池 （molten carbonate fuel cell, MCFC） n5.5.固固態(tài)態(tài)氧化物燃料氧化物燃料電電池池（solid oxide fuel cell, SOFC） n直接直接甲醇燃料甲醇燃料電電池池（direct methanol fuel cell， DMFC, PEMFCPEMFC的一的一種種） 目前主要的方式 燃料電池的分類燃料電池的分類 n3. 按燃料類型分按燃料類型分: 有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁 烯、丁烷等有機(jī)燃料，汽油、柴油和天 然氣等氣體燃料，有機(jī)燃料和氣體燃料 必須經(jīng)過重整器重整重整為氫氣后，才能 成為

13、燃料電池的燃料。 催化重整：在有催化劑作用的條件下，對(duì)汽油餾分中 的烴類分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排列成新的分子結(jié)構(gòu)的過程 叫催化重整。 燃料電池的燃料處理系統(tǒng) 水蒸氣水蒸氣 發(fā)生器發(fā)生器 燃料燃料 脫脫 硫硫 器器 重重 整整 器器 CO 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化 器器 CO 去除器去除器 重重 H2：72% 整整 CO2：20% 氣氣 CO：100ppm 氧氣氧氣 燃料處理系統(tǒng)有很多種，以天然氣重整為例介紹 脫硫器：采用活性碳、沸石等吸附劑或者用氫氣與硫反應(yīng)來脫硫 重整器：在高溫下(700 )與催化劑反應(yīng)得到以氫為主的重整氣 轉(zhuǎn)化器：CO+H2O H2+CO2（300 400 ） 去除器：CO+O2 CO2（150

14、 200 ） 燃料處理系統(tǒng) 4. 4. 按燃料電池工作溫度分：按燃料電池工作溫度分： 低溫型，溫度低于低溫型，溫度低于200； 中溫型，溫度為中溫型，溫度為200750； 高溫型，溫度高于高溫型，溫度高于750 低溫燃料電池低溫燃料電池 （60120） 中溫燃料電池中溫燃料電池 （160-220) 高溫燃科電池高溫燃科電池 (6001000) 類型類型 AFC 堿性燃料電堿性燃料電 池池 PEMFC或或SPFC 質(zhì)子交換膜或固態(tài)質(zhì)子交換膜或固態(tài) 聚合物燃料電池聚合物燃料電池 PAFC 磷酸燃料電池磷酸燃料電池 MCFC熔融碳酸熔融碳酸 燃料電池燃料電池 SOFC固態(tài)氧燃料電固態(tài)氧燃料電 池池

15、應(yīng)用應(yīng)用 太空飛行、太空飛行、 國防國防 汽車、潛水艇、移汽車、潛水艇、移 動(dòng)電話、筆記本電動(dòng)電話、筆記本電 腦、家庭加熱器、腦、家庭加熱器、 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)電廠 熱電聯(lián)產(chǎn)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)電廠 聯(lián)合循環(huán)熱電廠、聯(lián)合循環(huán)熱電廠、 電廠船、鐵路電廠船、鐵路 用車用車 電廠、家庭電源傳送電廠、家庭電源傳送 開發(fā)的 狀態(tài) 在太空飛行在太空飛行 中的應(yīng)用中的應(yīng)用 家庭電源試驗(yàn)項(xiàng)目、家庭電源試驗(yàn)項(xiàng)目、 小汽車公共汽車、小汽車公共汽車、 試驗(yàn)的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠試驗(yàn)的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠 具有具有200kW功率的電功率的電 池在工業(yè)中的應(yīng)用池在工業(yè)中的應(yīng)用 (大約大約160個(gè)電廠個(gè)電廠) 容量為容量為280kW 至至2

16、MW的的 試驗(yàn)電廠試驗(yàn)電廠 100kW的試驗(yàn)電廠的試驗(yàn)電廠 特性特性 無污染排放無污染排放 污染排放在污染排放在0和和 很低的水平之間很低的水平之間 低污染排放低污染排放 有效利用能源有效利用能源 有效利用能源有效利用能源 電效率高電效率高 低噪音水平低噪音水平 低噪音水平低噪音水平 低噪音水平低噪音水平 低噪音水平低噪音水平 制造費(fèi)用非制造費(fèi)用非 常貴常貴 固體電解質(zhì)適合固體電解質(zhì)適合 于大規(guī)模生產(chǎn)于大規(guī)模生產(chǎn) 是熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的三是熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的三 倍費(fèi)用倍費(fèi)用 沒有外部氣體配沒有外部氣體配 置置 沒有外部氣體配置沒有外部氣體配置 不適合于工不適合于工 業(yè)應(yīng)用業(yè)應(yīng)用 與常規(guī)技術(shù)相比很與常規(guī)技

17、術(shù)相比很 貴貴 隨著連續(xù)運(yùn)行電效率隨著連續(xù)運(yùn)行電效率 降低降低 腐蝕性電解液腐蝕性電解液 腐蝕性電解液腐蝕性電解液 少維護(hù)少維護(hù) 與常規(guī)技術(shù)相比很與常規(guī)技術(shù)相比很 貴貴 隨著連續(xù)運(yùn)行電效率隨著連續(xù)運(yùn)行電效率 的減小的減小 腐蝕性電解液腐蝕性電解液 對(duì)材料的要求非常對(duì)材料的要求非常 苛刻苛刻 電解體電解體 KOH 溶液溶液 質(zhì)子可滲透膜質(zhì)子可滲透膜 磷酸磷酸 鋰和碳酸鉀鋰和碳酸鉀 固體陶瓷體固體陶瓷體 燃料燃料 純氫純氫 氫，甲醇天然氣氫，甲醇天然氣 天然氣，氫天然氣，氫 天然氣煤氣沼氣天然氣煤氣沼氣 天然氣煤氣沼氣天然氣煤氣沼氣 日化劑日化劑 純氫純氫 大氣中的氫氣大氣中的氫氣 大氣中的氫氣大

18、氣中的氫氣 大氣中的氧氣大氣中的氧氣 大氣中的氧氣大氣中的氧氣 電效率電效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% 燃料電池的分類燃料電池的分類 種類電解質(zhì)(Present) PEMFC 高分子高分子電解質(zhì)薄膜電解質(zhì)薄膜燃料電池燃料電池 AFC 堿性堿性燃料燃料電池電池 PAFC 磷酸磷酸燃料燃料電電池池 MCFC 熔融熔融碳酸鹽碳酸鹽燃料燃料電池電池 SOFC 固固態(tài)態(tài)氧化物氧化物燃料燃料電池電池 DMFC 直接甲醇直接甲醇燃料燃料電電池池 URFC 均一化再生型均一化再生型燃料燃料電電池池 AFC, PAFC, MCFC,AFC, PAFC, MCFC,因因電解質(zhì)非固態(tài)

19、且具有腐蝕性而逐漸電解質(zhì)非固態(tài)且具有腐蝕性而逐漸 失去市場(chǎng)接受度。失去市場(chǎng)接受度。 n采用采用氫氧化鉀溶液氫氧化鉀溶液作為作為電解液電解液。這種電解液效。這種電解液效 率很高（可達(dá)率很高（可達(dá)60一一90），但），但對(duì)對(duì)影響純度的影響純度的雜雜 質(zhì)質(zhì)，如二氧化碳，如二氧化碳很敏感很敏感。因而運(yùn)行中需采用純。因而運(yùn)行中需采用純 態(tài)氫氣和氧氣。這一點(diǎn)限制了將其應(yīng)用于宇宙態(tài)氫氣和氧氣。這一點(diǎn)限制了將其應(yīng)用于宇宙 飛行及國際工程等領(lǐng)域。飛行及國際工程等領(lǐng)域。 幾種常見燃料電池的工作原理：幾種常見燃料電池的工作原理： 正極：正極：O2+4e-+2H2O=4OH- 1.1.在陽極，氫氣與堿中的在陽極，氫氣

20、與堿中的OH- OH- 在催化劑的在催化劑的 作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子 負(fù)極：負(fù)極：H H2 2+2OH+2OH- - =2H =2H2 2O O +2e-+2e- 2.2.電子通過外電路到達(dá)陰極，電子通過外電路到達(dá)陰極， 在陰極催化在陰極催化 劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng) 生成的生成的OHOH- -通過飽浸堿通過飽浸堿 液的石棉膜遷移至氫液的石棉膜遷移至氫 電極。電極。 n采用極薄的塑料薄膜塑料薄膜作為其電解質(zhì)電解質(zhì)。這種電解 質(zhì)具有比功率高和低工作溫度。是適用于固定 和移動(dòng)裝置的理想材料。 生成的生成的H+H+通過質(zhì)子交通

21、過質(zhì)子交 換膜到達(dá)陰極。換膜到達(dá)陰極。 eHH22 2 質(zhì)子交換質(zhì)子交換膜型膜型PEMFC其其反應(yīng)反應(yīng)式如下：式如下： n 陽極陽極 H2 + 2H + 2e- n 陰極陰極 1/2 O2 + 2H+ + 2e- H2O n 全反應(yīng)全反應(yīng) 1/2 O2 + H2 H2O 質(zhì)子交換膜型PEMFC燃料電池為了加速電 極的反應(yīng)，電極中通常會(huì)加入催化劑如鉑白金 ，但由于PEMFC內(nèi)需含水分，所以操作溫度必 須控制在100以下，此時(shí)鉑容易產(chǎn)生不完全反 應(yīng)并制造出一氧化碳CO，進(jìn)而失去催化的效 果，因此多加入銠lo或銥y等貴金屬于鉑 之中，如此一成本就向上攀升。 n采用200200高溫下的磷酸高溫下的磷酸

22、作為其電解質(zhì)電解質(zhì)。 很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。 n工作溫度可達(dá)650。這種電池的效率很 高，這類的燃料電池不需要采用貴金屬這類的燃料電池不需要采用貴金屬 作為催化劑。但由于工作溫度高，需要作為催化劑。但由于工作溫度高，需要 采用復(fù)合廢熱回收裝置來利用廢熱，體采用復(fù)合廢熱回收裝置來利用廢熱，體 積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā)積大，質(zhì)量重，只適合用于大功率的發(fā) 電廠中。電廠中。 n熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷多孔陶瓷陰極陰極、 多孔陶瓷多孔陶瓷電解質(zhì)電解質(zhì)隔膜隔膜、多孔多孔金屬陽極金屬陽極、 金屬極板金屬極板構(gòu)成的燃料電池。其電解質(zhì)是 熔融態(tài)碳酸鹽。 反應(yīng)原理示意圖如下： 陰 極：

23、O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32- 陽 極： 2H2 + 2CO32- 2CO2 + 2H2O + 4e 總反應(yīng)： O2 2H2 2H2O n總反應(yīng)：總反應(yīng)：O O2 2 2H2H2 2 2H 2H2 2O O 陰陰 極極：O O2 2+2CO+2CO2 2+4e+4e- -2CO2CO3 32- 2- 陽極：陽極：2H2H2 2+2CO+2CO3 32- 2-2CO 2CO2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e n采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物）固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物）， 性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料和 過程處理技術(shù)，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳒囟燃s 為1000。 n固體氧化物固體氧化物

24、燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱SOFC） 屬于第三代第三代燃料電池，是一 種等溫、直接將儲(chǔ)存在燃料 和氧化劑中的化學(xué)能高效、 環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全全 固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。 n燃料電池的歷史可以追溯到燃料電池的歷史可以追溯到1839年，年，固體氧化物燃固體氧化物燃 料電池料電池的開發(fā)的開發(fā)始于始于20世紀(jì)世紀(jì)40年代年代，但是在，但是在80年代以年代以 后其研究才得到蓬勃發(fā)展后其研究才得到蓬勃發(fā)展 。 電解質(zhì)電解質(zhì) n陽極(NiO+YSZ) +電解質(zhì)(YSZ) +陰極(LSM) 具體參數(shù)具體參數(shù):單電池總厚度在單電池總厚度在0.4mm左右左右,電解質(zhì)

25、膜電解質(zhì)膜 厚厚10um左右左右,功率密度在功率密度在750下達(dá)下達(dá)0.4w/cm2; 抗彎強(qiáng)度在抗彎強(qiáng)度在250MPa以上以上 （陽極支撐平板型（陽極支撐平板型SOFC） 采用檸檬酸絡(luò)合法為中溫固體氧化物 燃料電池制備了 La0 .85Sr0 .15MnO3 Ce0 .7Bi0 .3 O2 (LSM CBO)復(fù)合陰極材料 2.2.大面大面積積Ni-YSZ Ni-YSZ 多孔多孔陽極陽極基膜基膜 nickel and yttria-stabilized zirconia (Ni/YSZ) 氧化釔穩(wěn)定立方氧化鋯氧化釔穩(wěn)定立方氧化鋯 1. 負(fù)載負(fù)載YSZ 致密致密膜膜 n陽極(NiO+YSZ) +

26、電解質(zhì)(YSZ) +陰極(LSM) nSOFC與與第一代（磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱第一代（磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱PAFC）、）、 第二代燃料電池（熔鹽碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱第二代燃料電池（熔鹽碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱 MCFC）相比它有如下優(yōu)點(diǎn)：相比它有如下優(yōu)點(diǎn)： （1 1）較高的電流密度和功率密度；）較高的電流密度和功率密度； （2 2）陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)）陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì) 內(nèi)阻降；內(nèi)阻降； （3 3）可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃 料，而不必使用貴金屬作催化劑；料，而不必使用貴金屬作催化劑； （4 4）避免

27、了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽 電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；電解質(zhì)的腐蝕及封接問題； n（5）能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用 率高，能量利用率高達(dá)80左右，是一種清潔高效 的能源系統(tǒng)； n（6）廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極， 具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)； n（7）陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行（600 1000），加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多 種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。 總之總之，固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種新型發(fā) 電裝置，其高效率高效率、無污染無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對(duì)多種對(duì)多種 燃料氣體的廣泛適應(yīng)性燃料氣體的廣泛適應(yīng)

28、性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。 Specification of cells used in the stack module: Single cell: Anode supported Ni-YSZ/YSZ/LSM Size: 100mmX100mm Effective area:68.64cm2 Specification of stack module: Number of cells:30 cells Volume: 100mmX100mmX83mm Working temperature:700900C Fuel/Air:H2/Air Power:=300W800C Volumetric

29、 power density:=360W/liter Degradation rate:=10%/1000h800C Price:29,000 RMB/stack 電池堆參數(shù)、性能和價(jià)格電池堆參數(shù)、性能和價(jià)格 電池堆電池堆 MTU 250kW MCFC in MagdeburgMTU 250kW MCFC in Magdeburg Siemens Westinghouse 250kW SOFCSiemens Westinghouse 250kW SOFC 我國第一輛我國第一輛PEMFCPEMFC校園車校園車 Source：清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心，新發(fā)電技術(shù)調(diào)查研究，2008 nSOFC

30、SOFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù) n電解質(zhì)研究 n陰極材料研究 n陽極材料研究 n連接體材料研究 n密封材料研究 nPEMFCPEMFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù) n質(zhì)子交換膜研究 n催化劑及其涂覆技術(shù)的研究 nMEA技術(shù)的研究 n水平衡和熱平衡技術(shù)研究 n以以MCFC-MCFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例 n燃料的處理問題 n聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的相容性問題 n聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究 n大功率發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配問題 n聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控系統(tǒng)的開發(fā) n美國美國FCEFCE公司公司20042004年前建成的年前建成的3333座座MCFCMCFC發(fā)電裝

31、置；發(fā)電裝置； n美國美國ERCERC公司公司20062006年在舊金山建成的年在舊金山建成的250kW MCFC250kW MCFC電站；電站； n美國美國ERCERC公司公司20062006年在加州年在加州Santa ClaraSanta Clara建成的建成的2MW 2MW MCFCMCFC電站；電站； n日本三菱重工日本三菱重工20022002年在德國建造的年在德國建造的250kW MCFC250kW MCFC電站；電站； n日本日本19871987年開發(fā)出的年開發(fā)出的10kW MCFC10kW MCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； n日本日本19931993年開發(fā)出的年開發(fā)出的100kW10

32、0kW加壓型加壓型MCFCMCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； n日本日本19981998年建造的年建造的1MW1MW先導(dǎo)型先導(dǎo)型MCFCMCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； n意大利意大利19961996年在米蘭投運(yùn)的年在米蘭投運(yùn)的100kW MCFC100kW MCFC電站；電站； n德國德國M-C Rower CorporationM-C Rower Corporation建造的建造的MCFCMCFC電站；電站； n美國美國WestinghouseWestinghouse公司公司19981998年前建成年前建成1111套套325kW SOFC325kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)； n美國美國Westi

33、nghouseWestinghouse公司公司19991999年建成年建成2 2套套100kW100kW管式管式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)； n德國德國Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20022002年建成年建成220kW SOFC-220kW SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)； n德國德國Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成250kW SOFC250kW SOFC示范電廠；示范電廠； n德國德國Siemens Westinghou

34、seSiemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成4 4座座5kW SOFC5kW SOFC電廠；電廠； n日本三菱重工日本三菱重工19911991年成功示范年成功示范1kW SOFC1kW SOFC電池堆；電池堆； n日本三菱重工日本三菱重工19931993年成功示范新型年成功示范新型1kW SOFC1kW SOFC電池堆；電池堆； n日本三菱重工日本三菱重工19981998年示范年示范10kW SOFC10kW SOFC系統(tǒng)；系統(tǒng)； n日本三菱重工日本三菱重工20012001年成功示范年成功示范10kW 10kW 加壓管式加壓管式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電

35、系統(tǒng)； n日本日本JGUJGU公司公司19951995年支持示范的年支持示范的25kW SOFC25kW SOFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； n瑞士瑞士Sulzer HexisSulzer Hexis公司公司20012001年起年起400400套套1kW 1kW 生物質(zhì)生物質(zhì)SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)； n美國美國ZTEKZTEK公司公司19951995年示范運(yùn)行年示范運(yùn)行1kW1kW平板式平板式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)； n美國美國ZTEKZTEK公司公司19981998年示范運(yùn)行年示范運(yùn)行25kW25kW平板式平板式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)； n中國上海硅酸鹽研究所示范的中國上海硅酸鹽研究所示范的5kW5kW平板式中溫平板式中溫SOFCSOFC電廠；電廠； n中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)。