燃料電池講解：PPT課件

1、燃料電池介紹燃料電池介紹 一、燃料電池燃料電池 二、二、 一、燃料電池一、燃料電池 燃料電池（燃料電池（Fuel cell），是一種使用燃料進(jìn)行化），是一種使用燃料進(jìn)行化 學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的裝置，最早于學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的裝置，最早于1839年年由英國(guó)的由英國(guó)的 Grove所發(fā)明。最常見(jiàn)是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換所發(fā)明。最常見(jiàn)是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換 膜燃料電池，由于燃料價(jià)格便宜，加上對(duì)人體無(wú)膜燃料電池，由于燃料價(jià)格便宜，加上對(duì)人體無(wú) 化學(xué)危險(xiǎn)、對(duì)環(huán)境無(wú)害，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，化學(xué)危險(xiǎn)、對(duì)環(huán)境無(wú)害，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱， 20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代應(yīng)用在美國(guó)軍方，后于應(yīng)用在美國(guó)軍方，后于1965年年應(yīng)用應(yīng)

2、用 于美國(guó)雙子星座于美國(guó)雙子星座5號(hào)飛船?，F(xiàn)在也有一些筆記型電號(hào)飛船。現(xiàn)在也有一些筆記型電 腦開(kāi)始研究使用燃料電池。但由于產(chǎn)生的電量太腦開(kāi)始研究使用燃料電池。但由于產(chǎn)生的電量太 小，且無(wú)法瞬間提供大量電能，只能用于平穩(wěn)供小，且無(wú)法瞬間提供大量電能，只能用于平穩(wěn)供 電上。電上。 德國(guó)海軍新一代燃料電池潛艇服役德國(guó)海軍新一代燃料電池潛艇服役 這艘這艘212型潛艇是世界上最現(xiàn)代化的常規(guī)潛艇。潛艇采用的型潛艇是世界上最現(xiàn)代化的常規(guī)潛艇。潛艇采用的 燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)可使?jié)撊剂想姵赝七M(jìn)系統(tǒng)可使?jié)?艇保持更長(zhǎng)的潛航時(shí)間，更不容艇保持更長(zhǎng)的潛航時(shí)間，更不容 易被敵人探測(cè)到。易被敵人探測(cè)到。 甲醇燃料電池，燃料

3、電池的層狀結(jié)構(gòu) 燃料電池其原理是一種燃料電池其原理是一種電化學(xué)電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相裝置，其組成與一般電池相 同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正負(fù)極即燃料電極和正 極即氧化劑電極極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的 活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃 料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換 元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的元件。因此燃料電池是名符其實(shí)

4、的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的 能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給， 進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排 除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為氧燃料電池為 例來(lái)說(shuō)明燃料電池例來(lái)說(shuō)明燃料電池 氫氫-氧燃料電池反應(yīng)原理氧燃料電池反應(yīng)原理 這個(gè)反映是電觧水的逆過(guò)程。這個(gè)反映是電觧水的逆過(guò)程。 電極應(yīng)為：電極應(yīng)為： 負(fù)極：負(fù)極：H2 +2OH-2H2O +2e- 正極：正極：1/2O2 +H2O+ 2e-2OH- 電池反應(yīng)：電池反應(yīng)

5、：H2 +1/2O2=H2O 燃料電池車(chē)型能源來(lái)自于燃料電池堆，燃料電池車(chē)型能源來(lái)自于燃料電池堆， 而燃料電池堆可看做是一個(gè)小型發(fā)電而燃料電池堆可看做是一個(gè)小型發(fā)電 站，能夠持續(xù)產(chǎn)生能源站，能夠持續(xù)產(chǎn)生能源 燃料電池燃料電池的優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì) 1，潔凈、安全的發(fā)電裝置，潔凈、安全的發(fā)電裝置 從發(fā)電廠、工廠，以及汽車(chē)等排出的大量各種物從發(fā)電廠、工廠，以及汽車(chē)等排出的大量各種物 質(zhì)是造成大氣污染和地球溫暖化的主要原因。而質(zhì)是造成大氣污染和地球溫暖化的主要原因。而 燃料電池可以替代這些正在使用的鍋爐和內(nèi)燃機(jī)燃料電池可以替代這些正在使用的鍋爐和內(nèi)燃機(jī) 等。等。 2，多燃料系統(tǒng)，多燃料系統(tǒng) 在地球上，氫絕大多

6、數(shù)是以化合物的形式存在。在地球上，氫絕大多數(shù)是以化合物的形式存在。 比如：氫氧化合物（水）和碳?xì)浠衔??？梢宰鞅热纾簹溲趸衔铮ㄋ┖吞細(xì)浠衔铩？梢宰?為燃料電池原料使用的碳?xì)浠衔镏饕獊?lái)源于天為燃料電池原料使用的碳?xì)浠衔镏饕獊?lái)源于天 然氣、液化氣、石油和煤炭等化石燃料?？筛鶕?jù)然氣、液化氣、石油和煤炭等化石燃料?？筛鶕?jù) 各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃 料。料。 3，高效率的發(fā)電裝置，高效率的發(fā)電裝置 4，分散型的發(fā)電裝置，分散型的發(fā)電裝置 規(guī)模最大的可以替代火力發(fā)電或核能發(fā)電，用于規(guī)模最大的可以替代火力發(fā)電或核能發(fā)電，用于 商業(yè)發(fā)電。不

7、需要龐大的設(shè)備，不需要變送電系商業(yè)發(fā)電。不需要龐大的設(shè)備，不需要變送電系 統(tǒng)；與核能相比，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性較小?？梢越y(tǒng)；與核能相比，發(fā)生事故的危險(xiǎn)性較小。可以 建在大城市的近郊。規(guī)模稍小的可以建在住宅小建在大城市的近郊。規(guī)模稍小的可以建在住宅小 區(qū)、辦公樓、廠區(qū)甚至城市的中心地帶?？梢詼p區(qū)、辦公樓、廠區(qū)甚至城市的中心地帶?？梢詼p 少因長(zhǎng)距離輸送電力而產(chǎn)生的損耗。面向個(gè)人用少因長(zhǎng)距離輸送電力而產(chǎn)生的損耗。面向個(gè)人用 途的超小型燃料電池可以作為筆記本途的超小型燃料電池可以作為筆記本電腦電腦和移動(dòng)和移動(dòng) 便攜電話的便攜電話的電源電源。 燃料電池的類(lèi)型燃料電池的類(lèi)型 堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFC

8、）采用氫氧化鉀溶液作采用氫氧化鉀溶液作 為為電解電解液。液。 質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用極薄的采用極薄的 塑料薄膜作為其電解質(zhì)。塑料薄膜作為其電解質(zhì)。 磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC）采用采用200高溫下的高溫下的 磷酸作為其電解質(zhì)。磷酸作為其電解質(zhì)。 熔融碳酸燃料電池（熔融碳酸燃料電池（MCFC） 固態(tài)氧燃料電池（固態(tài)氧燃料電池（SOFC）采用固態(tài)電解質(zhì)采用固態(tài)電解質(zhì) 中國(guó)發(fā)展?fàn)顩r中國(guó)發(fā)展?fàn)顩r 在中國(guó)的燃料電池研究始于在中國(guó)的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)年，原電子工業(yè) 部部天津天津電源研究所最早開(kāi)展了電源研究所最早開(kāi)展了MCFC的研究。的研究。7

9、0 年代在年代在航天航天事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究事業(yè)的推動(dòng)下，中國(guó)燃料電池的研究 曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)大連化學(xué) 物理研究所研制成功的兩種類(lèi)型的堿性物理研究所研制成功的兩種類(lèi)型的堿性石棉石棉膜型膜型 氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級(jí)AFC）均通過(guò)了例行）均通過(guò)了例行 的航天的航天環(huán)境模擬試驗(yàn)環(huán)境模擬試驗(yàn)。1990年年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng) 用化學(xué)研究所用化學(xué)研究所承擔(dān)了中科院承擔(dān)了中科院PEMFC的研究任務(wù)，的研究任務(wù)， 1993年開(kāi)始進(jìn)行直接年開(kāi)始進(jìn)行直接甲醇甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池 （D

10、MFC）的研究。電力工業(yè)部）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱哈爾濱電站成套設(shè)電站成套設(shè) 備研究所于備研究所于1991年研制出由年研制出由7個(gè)單電池組成的個(gè)單電池組成的 MCFC原理性電池原理性電池 但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金但是，由于多年來(lái)在燃料電池研究方面投入資金 數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來(lái)看，與 發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)達(dá)國(guó)家尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專(zhuān)家對(duì)尚有較大差距。我國(guó)有關(guān)部門(mén)和專(zhuān)家對(duì) 燃料電池十分重視，燃料電池十分重視，1996年和年和1998年兩次在年兩次在香山香山 科學(xué)會(huì)議科學(xué)會(huì)議上對(duì)中國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專(zhuān)上對(duì)中國(guó)燃料電池

11、技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了專(zhuān) 題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的題討論，強(qiáng)調(diào)了自主研究與開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的 重要性和必要性。近幾年中國(guó)加強(qiáng)了在重要性和必要性。近幾年中國(guó)加強(qiáng)了在PEMFC方方 面的研究力度面的研究力度 國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r 在在北美北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正 以?shī)^起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模以?shī)^起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模 應(yīng)用的階段，將成為應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼世紀(jì)繼火電火電、水、水 電、電、核電核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電后的第四代發(fā)電方式。燃料電 池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們 的足夠重

12、視，現(xiàn)在它已是能源、電力行的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行 業(yè)不得不正視的課題。業(yè)不得不正視的課題。 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性 燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投 資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和 兩種兩種能源轉(zhuǎn)換能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資 大型的火電廠每千瓦約為大型的火電廠每千瓦約為1.31.5萬(wàn)元。發(fā)電消耗的燃料萬(wàn)元。發(fā)電消耗的燃料 為燃料電池的兩倍以上，按目前在中國(guó)天然氣最低市價(jià)為燃料電池的兩倍以上，按目前在中國(guó)

13、天然氣最低市價(jià) （產(chǎn)地市價(jià)人民幣（產(chǎn)地市價(jià)人民幣1元元/m3）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò)）計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò) 70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更 經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面 積大，環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷積大，環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷 完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造完善，造價(jià)將不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造 價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來(lái)這種發(fā)電方價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來(lái)

14、這種發(fā)電方 式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。 二、二、 一、制作氫氧燃料電池的設(shè)想一、制作氫氧燃料電池的設(shè)想 燃料電池是一種新型的化學(xué)電源，燃料電池是一種新型的化學(xué)電源， 是現(xiàn)在最引人注目的能源裝置之一，是是現(xiàn)在最引人注目的能源裝置之一，是 高中化學(xué)教材新增添的學(xué)習(xí)內(nèi)容。但教高中化學(xué)教材新增添的學(xué)習(xí)內(nèi)容。但教 材沒(méi)有安排燃料電池的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生材沒(méi)有安排燃料電池的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生 實(shí)驗(yàn)。因此我們就想自己研制燃料電池。實(shí)驗(yàn)。因此我們就想自己研制燃料電池。 我們首先查閱了大量的有關(guān)燃料電池的我們首先查閱了大量的有關(guān)燃料電池的 資料，做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不斷改進(jìn)，資料，做了大量

15、的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不斷改進(jìn)， 最終研制出了一種不需用貴重金屬的簡(jiǎn)最終研制出了一種不需用貴重金屬的簡(jiǎn) 易氫氧燃料電池。易氫氧燃料電池。 二、燃料電池的定義二、燃料電池的定義 燃料電池是一種能夠持續(xù)的燃料電池是一種能夠持續(xù)的 通過(guò)發(fā)生在正極和負(fù)極的氧化還通過(guò)發(fā)生在正極和負(fù)極的氧化還 原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能 量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電 池的區(qū)別在于，它工作時(shí)需要連池的區(qū)別在于，它工作時(shí)需要連 續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧 化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池 就會(huì)不斷提供電能。就會(huì)不斷提供電能。

16、 三、燃料電池的工作原理三、燃料電池的工作原理 燃料電池由正極、燃料電池由正極、 負(fù)極和離子導(dǎo)電的電負(fù)極和離子導(dǎo)電的電 解質(zhì)構(gòu)成，其工作原解質(zhì)構(gòu)成，其工作原 理與普通電化學(xué)電池理與普通電化學(xué)電池 類(lèi)似，燃料在負(fù)極氧類(lèi)似，燃料在負(fù)極氧 化，氧化劑在正極還化，氧化劑在正極還 原，電子從負(fù)極通過(guò)原，電子從負(fù)極通過(guò) 負(fù)載流向正極構(gòu)成電負(fù)載流向正極構(gòu)成電 回路，產(chǎn)生電流?；芈?，產(chǎn)生電流。 燃料燃料氧化劑氧化劑 負(fù)極負(fù)極 正極正極 電電 解解 質(zhì)質(zhì) 導(dǎo)電離子導(dǎo)電離子 四、氫氧燃料電池的工作原理四、氫氧燃料電池的工作原理 2e-2e- 氫氣氫氣 H2O H H + + OH OH - - A 氧氣氧氣 負(fù)極

17、負(fù)極 正極正極 五、氫氧燃料電池的裝置五、氫氧燃料電池的裝置 石墨電極石墨電極 Na2SO4 溶液溶液 電解槽電解槽 石墨電極均為普通石墨電極均為普通1 1號(hào)干電池的碳棒號(hào)干電池的碳棒, , 電電 解槽為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室盛裝石蕊試紙的塑料盒。解槽為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室盛裝石蕊試紙的塑料盒。 六、通直流電制取氫氣和氧氣六、通直流電制取氫氣和氧氣 石墨電極石墨電極 Na2SO4 溶液溶液 電解槽電解槽 給電池通給電池通14V14V直流電至兩個(gè)電極上吸附直流電至兩個(gè)電極上吸附 著較多氣泡為止著較多氣泡為止。 （陽(yáng)極）（陽(yáng)極）4OH- 4e- = O2 + 2H2O （陰極）（陰極）4H+4e- = 2H2 七、氫氧

18、燃料電池帶動(dòng)小電器七、氫氧燃料電池帶動(dòng)小電器 石墨電極石墨電極 Na2SO4 溶液溶液 電解槽電解槽 電池中附有氫氣的碳棒為負(fù)極，附電池中附有氫氣的碳棒為負(fù)極，附有氧有氧 氣的碳棒為正極氣的碳棒為正極。 電子鐘電子鐘 可走數(shù)十可走數(shù)十 分鐘分鐘 （+）O2+ 4e- + 4H+= 2H2O （-）2H2-4e- + 4OH- = 4H2O 石墨電極石墨電極 Na2SO4 溶液溶液 電解槽電解槽 電池中附有氧氣的碳棒為正極，附電池中附有氧氣的碳棒為正極，附有氧有氧 氣的碳棒為正極氣的碳棒為正極。 電子賀卡電子賀卡 賀卡發(fā)出紅光賀卡發(fā)出紅光 和音樂(lè)聲音和音樂(lè)聲音 七、氫氧燃料電池帶動(dòng)小電器七、氫氧燃料電池帶動(dòng)小電器 八、該氫氧燃料電池的優(yōu)點(diǎn)八、該氫氧燃料電池的優(yōu)點(diǎn) 裝置美觀，材