燃料電池的分類及應(yīng)用資料

1、燃料電池(rn lio din ch)的基本原理 u燃料電池的特點(diǎn)燃料電池的特點(diǎn)u燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。 u清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機(jī)等大型設(shè)備、沒有清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機(jī)等大型設(shè)備、沒有SO SO x x、NO xNO x氣體氣體(qt)(qt)和固體粉塵的排放。和固體粉塵的排放。 u可靠性和操作性良好，噪聲低?？煽啃院筒僮餍粤己?，噪聲低。 u所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。 第一頁，共64頁。燃料電池的組成和工作原理 燃料電池的基本組成：

2、陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同(b tn)的種類。 圖103 燃料電池(rn lio din ch)的基本單元 第二頁，共64頁。燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）（1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應(yīng)：（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)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）綜合(zngh)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的供給，該燃料電池就會(huì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。eHH222OHOeH222122OHOH22222第三頁，共64頁。燃料電池中的催化作用 燃料電池

3、中的電催化作用是用來加速(ji s)燃料電池化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)的分界面上。 催化劑是一類可產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應(yīng)。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。 *評(píng)價(jià)催化劑的主要技術(shù)指標(biāo)為穩(wěn)定性、電催化活性、電導(dǎo)率和經(jīng)濟(jì)性。第四頁，共64頁。燃料電池(rn lio din ch)的分類 一、燃料電池的分類一、燃料電池的分類 1、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。 分為酸性分為酸性(sun xn)燃料電池和堿性燃料電池燃料電池和堿性燃料電池 2. 按電解質(zhì)的種類不同，有酸性按電解質(zhì)的種類不同，有酸

4、性(sun xn)、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì) 2.1堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFC）、）、 2.2質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 2.3磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC）、）、 2.4熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、 2.5固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）、）、 3. 按燃料類型分。按燃料類型分。 3.1氫燃料電池氫燃料電池 3.2甲烷燃料電池甲烷燃料電池 3.3甲醇燃料電池甲醇燃料電池 3.4乙醇燃料電池乙醇燃料電池 第五頁，共64頁。 燃料電池可依據(jù)其工作溫度、所用燃料的種類和電解質(zhì)類型進(jìn)行分類

5、。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過重整器產(chǎn)生氫氣，然后(rnhu)以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類型進(jìn)行分類。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。第六頁，共64頁。第七頁，共64頁。2.1堿性(jin xn)燃料電池（AFC）2.1.1 堿性染料電池簡(jiǎn)介堿性染料電池簡(jiǎn)介堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包堿性燃料電池是該

6、技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。 負(fù)極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：正極反應(yīng)：正極反應(yīng)：堿性燃料電池的工作溫度大約堿性燃料電池的工作溫度大約80。因此，它們的啟動(dòng)也很快，。因此，它們的啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。 如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對(duì)能污

7、染催化劑的一如同質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對(duì)能污染催化劑的一氧化碳和其它氧化碳和其它(qt)雜質(zhì)也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧雜質(zhì)也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因?yàn)橐谎趸寄芘c氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低化碳，因?yàn)橐谎趸寄芘c氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。電池的性能。eOHOHH444222第八頁，共64頁。圖108 堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)(jigu)（自由電解質(zhì)型） 第九頁，共64頁。212 AFC的優(yōu)點(diǎn)是：的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，因?yàn)檠踉趬A性介質(zhì)中的還原反應(yīng)比其他酸性效率高，因?yàn)檠踉趬A性介質(zhì)中的還原反應(yīng)比其他酸性介質(zhì)高；介質(zhì)高；因?yàn)槭菈A性介質(zhì)，可以用

8、非鉑催化劑；因?yàn)槭菈A性介質(zhì)，可以用非鉑催化劑； 因工作溫度低，堿性介質(zhì)，所以可以采用鎳板做雙極因工作溫度低，堿性介質(zhì)，所以可以采用鎳板做雙極板。板。21.3 AFC的缺點(diǎn)是：的缺點(diǎn)是：因?yàn)殡娊赓|(zhì)為堿性，易與因?yàn)殡娊赓|(zhì)為堿性，易與CO2生成生成(shn chn)K2CO3、Na2CO3沉淀，嚴(yán)重影響電池性能，沉淀，嚴(yán)重影響電池性能，所以必須除去所以必須除去CO2，這給其在常規(guī)環(huán)境中應(yīng)用帶來很，這給其在常規(guī)環(huán)境中應(yīng)用帶來很大的困難。大的困難。電池的水平衡問題很復(fù)雜，影響電池的穩(wěn)定性。電池的水平衡問題很復(fù)雜，影響電池的穩(wěn)定性。第十頁，共64頁。2.1.4、堿性染料電池的發(fā)展現(xiàn)狀、堿性染料電池的發(fā)展現(xiàn)

9、狀堿性燃料電池（堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，堿性燃料電池）是最早開發(fā)并獲得成功的燃料電池，堿性燃料電池）是最早開發(fā)并獲得成功的燃料電池，早在早在20世紀(jì)世紀(jì)60年代就被用于宇宙飛船和登月飛行。堿性燃料電池采用年代就被用于宇宙飛船和登月飛行。堿性燃料電池采用KOH等堿性溶液為等堿性溶液為電解質(zhì)，用電解質(zhì)，用H2或或NH3、N2H2裂解的裂解的H2為燃料，空氣或?yàn)槿剂?，空氣或O2為氧化劑，使用貴金屬（如為氧化劑，使用貴金屬（如Pt、Ag等）和過渡金屬（如等）和過渡金屬（如Ni等）或者由它們組成的合金等作為催化劑。堿性燃料電池具有等）或者由它們組成的合金等作為催化劑。堿性燃料

10、電池具有穩(wěn)定、耐久等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的電效率（穩(wěn)定、耐久等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的電效率（60%90%），迄今為止，它仍是最適合于太），迄今為止，它仍是最適合于太空使用的燃料電池?？帐褂玫娜剂想姵亍A性燃料電池分為中溫（工作溫度約為堿性燃料電池分為中溫（工作溫度約為523K）和低溫（工作溫度低于）和低溫（工作溫度低于373K）兩種。中）兩種。中溫堿性燃料電池被用于航天飛行和太空項(xiàng)目上的電源，經(jīng)過幾十年的使用，被證明為安溫堿性燃料電池被用于航天飛行和太空項(xiàng)目上的電源，經(jīng)過幾十年的使用，被證明為安全可靠的太空電源；低溫堿性燃料電池是今后開發(fā)重點(diǎn)，其應(yīng)用目標(biāo)是便攜式電源和交全可靠的太空電源；低溫堿性燃料電池是

11、今后開發(fā)重點(diǎn)，其應(yīng)用目標(biāo)是便攜式電源和交通工具用動(dòng)力電源。通工具用動(dòng)力電源。堿性燃料電池與其他燃料電池相比，堿性燃料電池系統(tǒng)具有較高的電效率（堿性燃料電池與其他燃料電池相比，堿性燃料電池系統(tǒng)具有較高的電效率（60%90%），可以在室溫下快速啟動(dòng)，并迅速達(dá)到額定負(fù)荷，而且電池的本體材料選擇廣泛，），可以在室溫下快速啟動(dòng)，并迅速達(dá)到額定負(fù)荷，而且電池的本體材料選擇廣泛，電池造價(jià)較低。因此，堿性燃料電池作為高效且價(jià)格低廉的成熟技術(shù)，若應(yīng)用于便攜式電池造價(jià)較低。因此，堿性燃料電池作為高效且價(jià)格低廉的成熟技術(shù)，若應(yīng)用于便攜式電源和交通工具用動(dòng)力電源，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景。電源和交通工具用動(dòng)力電源，具

12、有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景。堿性燃料在實(shí)際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，空氣中的堿性燃料在實(shí)際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，空氣中的CO2會(huì)毒害堿性電解質(zhì)生會(huì)毒害堿性電解質(zhì)生成碳酸根離子，對(duì)電池的效率和使用壽命造成影響，使得堿性燃料電池系統(tǒng)需要復(fù)雜的成碳酸根離子，對(duì)電池的效率和使用壽命造成影響，使得堿性燃料電池系統(tǒng)需要復(fù)雜的CO2脫除裝置，而且只能用純脫除裝置，而且只能用純H2為燃料；此外，堿性燃料電池的催化劑一般采用貴金屬為燃料；此外，堿性燃料電池的催化劑一般采用貴金屬Pt才能獲取電池的高性能，且需要一個(gè)才能獲取電池的高性能，且需要一個(gè)(y )控制體系保持電解質(zhì)濃度的恒定。這些造控制體系保持

13、電解質(zhì)濃度的恒定。這些造成堿性燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜化，成本增高，導(dǎo)致其不適于民用、與其他燃料電池相比競(jìng)成堿性燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜化，成本增高，導(dǎo)致其不適于民用、與其他燃料電池相比競(jìng)爭(zhēng)力降低。爭(zhēng)力降低。第十一頁，共64頁。 20世紀(jì)90年代以來，眾多汽車生產(chǎn)商都在研究使用低溫燃料電池作為汽車動(dòng)力的可行性。由于低溫堿性燃料電池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽車上的應(yīng)用受到限制，因此，除少數(shù)機(jī)構(gòu)還在研究堿性燃料電池外，大多數(shù)汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)都在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）上尋求突破。然而PEMFC和DMFC都以貴金屬Pt為主催化劑，一旦PEMFC和DMFC達(dá)到真正(

14、zhnzhng)的批量生產(chǎn)階段，將被迫面臨Pt的匱乏。堿性燃料電池可以不采用貴金屬作催化劑，如果采用CO2過濾器或堿液循環(huán)等手段去除CO2，克服其致命弱點(diǎn)后，用于汽車的堿性燃料電池將具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，堿性燃料電池領(lǐng)域近年的研究重點(diǎn)是CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑。第十二頁，共64頁。 2.2質(zhì)子交換(jiohun)膜燃料電池（PEMFC） 2.21質(zhì)子交換(jiohun)膜燃料電池簡(jiǎn)介質(zhì)子交換(jiohun)膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子

15、交換(jiohun)膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換(jiohun)膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。兩電極的反應(yīng)分別為：陽極(負(fù)極)：2H2-4e=4H+ 陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換(jiohun)膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換(jiohun)膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.

16、23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.51V 之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱電堆)。 第十三頁，共64頁。第十四頁，共64頁。PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴(kuò)散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成(z chn)的陰、陽極和電解質(zhì)的復(fù)合體。 圖1019 膜電極(dinj)結(jié)構(gòu)示意圖 第十五頁，共64頁。電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊

17、時(shí)應(yīng)確保氣體主通道對(duì)正以便氫氣和氧氣能順利通達(dá)每一單電池。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。 電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強(qiáng)度，無穿孔性漏氣，在高壓(goy)強(qiáng)下無變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。常用石墨雙極板厚度約23.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，

18、其流道設(shè)計(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。 第十六頁，共64頁。2.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)點(diǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)點(diǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而(yn r)不受卡諾循環(huán)的不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時(shí)也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜維修都很方便，工作時(shí)也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保

19、電源。 質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等被公認(rèn)為電動(dòng)汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電被公認(rèn)為電動(dòng)汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響料電池的性能起著非常

20、重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。電池的使用壽命。 第十七頁，共64頁。 質(zhì)子(zhz)交換類膜存在下述缺點(diǎn)：(1)制作困難、成本高，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較高；(2)對(duì)溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為7090，超過此溫度會(huì)使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過適當(dāng)提高工作溫度來提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳?xì)浠衔?，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質(zhì)子(zhz)交換膜。 第十八頁，共64頁。第十九頁，共64頁。質(zhì)子交換

21、膜燃料電池的應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景可與計(jì)算機(jī)技術(shù)相媲美。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果(chnggu)。 采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統(tǒng)的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分散電源聯(lián)網(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)

22、能水平和環(huán)保效益。 第二十頁，共64頁。2.3 磷酸磷酸(ln sun)燃料電池（燃料電池（PAFC）2.3.1 磷酸磷酸(ln sun)燃料電池工作原理燃料電池工作原理 磷酸磷酸(ln sun)燃料電池（燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以濃磷酸）是以濃磷酸(ln sun)為電為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴(kuò)散電極為正、負(fù)解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴(kuò)散電極為正、負(fù)電極的中溫型燃料電池?？梢栽陔姌O的中溫型燃料電池?？梢栽?50220工工作。具有電解質(zhì)穩(wěn)定、磷酸作。具有電解質(zhì)穩(wěn)定、磷酸(ln sun)可濃縮、可濃縮、水蒸氣壓低和陽極催化劑不易被水蒸氣壓低和陽

23、極催化劑不易被CO毒化等優(yōu)點(diǎn)，毒化等優(yōu)點(diǎn)，是一種接近商品化的民用燃料電池。是一種接近商品化的民用燃料電池。燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質(zhì)器，把燃料轉(zhuǎn)化成把燃料轉(zhuǎn)化成H2、CO和水蒸氣的混合物，和水蒸氣的混合物，CO和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成和水進(jìn)一步在移位反應(yīng)器中經(jīng)觸媒劑轉(zhuǎn)化成H2和和CO2。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進(jìn)入燃料堆的負(fù)極堆的負(fù)極(燃料極燃料極)，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的，同時(shí)將氧輸送到燃料堆的正極正極(空氣極空氣極)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，借助觸媒劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱

24、能。用迅速產(chǎn)生電能和熱能。陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：H2+2e- 2H+ 陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+ H2O+2e-總反應(yīng)：總反應(yīng)： 1/2O2 +H2 H2O 第二十一頁，共64頁。 電池本體(即單個(gè)電池)的輸出電壓在無負(fù)荷的狀態(tài)下，為1V程度(chngd)。提高電流密度，通常設(shè)計(jì)以0.60.7V/單個(gè)電池為額定值。無負(fù)荷狀態(tài)與實(shí)際電壓的差作為熱能而放出。并且，電池本體的發(fā)電效率不決定于電池面積，所以，燃料電池本質(zhì)上即使是下容量的，也是高效率的。實(shí)際使用上是按輸出的需要，把數(shù)十個(gè)以至數(shù)百個(gè)電池本體串聯(lián)而積成為電池組合體(stack)的。第二十二頁，共64頁。 2.3.2磷酸燃料電池特點(diǎn)

25、 2.3.2.1磷酸燃料電池特點(diǎn) 排氣清潔 燃料并不燃燒，就發(fā)電，所以幾乎完全沒有NOX,SOX。污染(wrn)大氣物質(zhì)參照?qǐng)D:第二十三頁，共64頁。 .發(fā)電(fdin)效率高 從來的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電(fdin)裝置時(shí)燃燒燃料驅(qū)動(dòng)渦輪等機(jī)械能使發(fā)電(fdin)機(jī)轉(zhuǎn)換出電能的，能量損耗大。但是，燃料電池發(fā)電(fdin)上是把燃料的化學(xué)能直接變換成電能的，所以能量變換損失少。結(jié)果發(fā)電(fdin)效率遠(yuǎn)高于從來的發(fā)電(fdin)第二十四頁，共64頁。.低噪音，低振動(dòng)不伴有旋轉(zhuǎn)機(jī)械(jxi)的發(fā)電方式，所以是在低噪音、低振動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)。噪音的比較如圖所示：第二十五頁，共64頁。2.3.3磷酸燃料電池應(yīng)用磷酸燃料

26、電池應(yīng)用PAFC作為一種中低溫型（工作溫度作為一種中低溫型（工作溫度180-210）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、適應(yīng)燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、適應(yīng)多樣燃料、無噪音、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低、設(shè)置場(chǎng)所限制多樣燃料、無噪音、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低、設(shè)置場(chǎng)所限制少、大氣壓運(yùn)轉(zhuǎn)容易操作、安全性優(yōu)良、部分少、大氣壓運(yùn)轉(zhuǎn)容易操作、安全性優(yōu)良、部分負(fù)荷特性好等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收負(fù)荷特性好等特點(diǎn)，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。大部分熱量。PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠

27、，容量在站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中以上，可以作為中等規(guī)模等規(guī)模(gum)熱電廠。熱電廠。PAFC電廠比起一般電電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，廠具有如下優(yōu)點(diǎn)：即使在發(fā)電負(fù)荷比較低時(shí)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易?，F(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，省時(shí)，并且電廠擴(kuò)容容易。第二十六頁，共64頁。 2.4熔融碳酸燃料電池（熔融碳酸燃料電池（MCFC） 工作溫度可達(dá)工作溫度可達(dá)650。這種電池的效率很高，。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。但材料需求的要求也高。 溶化的碳酸鹽燃料電池與上

28、述討論的燃料電溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到加熱到650時(shí)，這種鹽就會(huì)溶化，產(chǎn)生碳酸時(shí)，這種鹽就會(huì)溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳二氧化碳(r yng hu tn)和電子。電子然后和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。 陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：CO32- + H2 H2O + CO2 + 2e-陰極反

29、應(yīng)：陰極反應(yīng)：CO2 + 1/2 O2 + 2e- CO32-第二十七頁，共64頁。 這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔?，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。在這樣高的溫度下，盡管硫仍然是一個(gè)問題，而一氧化碳污染卻不是問題了，且白金催化劑可用廉價(jià)的一類鎳金屬代替(dit)，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。如果其浪費(fèi)的熱量能夠加以利用，其潛在的效率可高達(dá)80%。 不過，高溫也會(huì)帶來一些問題。這種電池需要較長(zhǎng)的時(shí)間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運(yùn)輸，其電解質(zhì)的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(fā)電效率對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)加

30、工和發(fā)電氣輪機(jī)則具有較大的吸引力。目前的示范電池可產(chǎn)生高達(dá)2 MW的電力，50-100 MW容量的電力設(shè)計(jì)業(yè)已提到議事日程。第二十八頁，共64頁。2.5固體氧燃料電池（固體氧燃料電池（SOFC）2.5.1固體氧化物燃料電池簡(jiǎn)介固體氧化物燃料電池簡(jiǎn)介固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(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)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置

31、。被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池來會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到一樣得到(d do)廣泛普及應(yīng)用的廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物），性能很好。他們一種燃料電池。采用的是固態(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。固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，而不用使用液它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯

32、等固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，而不用使用液體電解質(zhì)。其工作溫度位于體電解質(zhì)。其工作溫度位于800-1000之間。之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動(dòng)到陽極氧化燃料氣體（主要是在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動(dòng)到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動(dòng)返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。移動(dòng)返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：H2 + O2- H2O + 2e-CO + O2- CO2 + 2e-陰極反應(yīng)陰極反應(yīng): O2 + 4 e- 2 O2- 第二十九頁

33、，共64頁。對(duì)于溶化的碳酸鹽燃料電池而言，高溫意即這種電池能抵御一氧化碳的污染，正如上式顯示的那樣，一氧化碳會(huì)隨時(shí)氧化成二氧化碳。這便省卻了外部重整從燃料中提取(tq)氫，而且這種電池還可以再直接使用石油或天然氣。固態(tài)氧化物燃料電池對(duì)目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，然而它們用來承受所產(chǎn)生的高溫的建造材料卻要昂貴得多。第三十頁，共64頁。2.5.3特點(diǎn)特點(diǎn)(tdin)SOFC與第一代燃料電池與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱磷酸型燃料電池，簡(jiǎn)稱PAFC)、第二代燃、第二代燃料電池料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡(jiǎn)稱熔融

34、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)：較高的電流密度和功率密度；較高的電流密度和功率密度；陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；可直接使用氫氣、烴類可直接使用氫氣、烴類(甲烷甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；催化劑；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；題；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)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

35、右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；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)；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)；陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(6001000)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)，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。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。 第三十一頁，共64頁。2.5.4固體氧化物燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用固體氧化物燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用 固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于20世紀(jì)世紀(jì)40年代，但是在年代，但是在80年代以后其研究才

36、得到蓬勃發(fā)展。年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。 早期開發(fā)出來的早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高，一般在的工作溫度較高，一般在8001000。目前科學(xué)。目前科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度家已經(jīng)研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在一般在800左右。一些國(guó)家的科學(xué)家也正在努力開發(fā)低左右。一些國(guó)家的科學(xué)家也正在努力開發(fā)低溫溫SOFC，其工作溫度更可以降低至，其工作溫度更可以降低至650700。工作。工作溫度的進(jìn)一步降低，使得溫度的進(jìn)一步降低，使得SOFC的實(shí)際應(yīng)用成為可能。的實(shí)際應(yīng)用成為可能。 固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可供

37、工業(yè)界用左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電來發(fā)電(fdin)和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力和取暖，同時(shí)也具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。的潛力。固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決目前固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決目前世界能源短缺和環(huán)境污染的重要手段，受到了世界主要世界能源短缺和環(huán)境污染的重要手段，受到了世界主要國(guó)家的普遍重視，包括美國(guó)、歐洲、日本、澳大利來、國(guó)家的普遍重視，包括美國(guó)、歐洲、日本、澳大利來、韓國(guó)等。韓國(guó)等。 第三十二頁，共64頁。3.1. 氫燃料電池氫燃料電池3.1.1 氫燃料電池工作原理氫燃料電池工作原理 氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成氫燃料電池是

38、使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量?jī)?chǔ)存能量(nngling)的電池。其基本原理是電的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。第三十三頁，共64頁。 3.1.2 氫燃料電池的應(yīng)用 在汽車上的應(yīng)用 a.氫燃料電池車的工作原理是： 將氫氣送到燃料電池的陽極板(負(fù)極)，經(jīng)過催化劑(鉑)的作用(zuyng)，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來，失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板(正極)

39、，而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60-80%，為內(nèi)燃機(jī)的23倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。 第三十四頁，共64頁。 b.氫燃料

40、電池汽車的優(yōu)勢(shì)分析 氫作為汽車代用燃料具有良好的行進(jìn)加速性、燃料適應(yīng)性、低溫起動(dòng)性好、超低排放、全工況高效率等優(yōu)點(diǎn)。 我國(guó)氫的來源極為豐富，技術(shù)水平也有了一定的基礎(chǔ)，水電解制氫、生物質(zhì)氣化制氫等制氫方法已形成規(guī)模。其中(qzhng)低價(jià)電電解水制氫方法在今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應(yīng)用成本。 氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)污染環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)了零污染的目標(biāo)。 廢氣組成 燃油汽車 氫燃料電池汽車 CO 17.0g/km 0HC 2.7g/km 0NOx 0.74g/km 微量CO2 320g/km

41、0第三十五頁，共64頁。 c.氫燃料電池在汽車應(yīng)用上的劣勢(shì)分析 （1）生產(chǎn)成本高：目前，氫的來源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過煤或核反應(yīng)堆發(fā)電來產(chǎn)生。由于(yuy)氫的提取需要消耗其他能源，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳?xì)淙剂蟻硖崛洌瑒t會(huì)排出導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體。 （2）能量密度小且儲(chǔ)運(yùn)不便：氫燃料儲(chǔ)存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。 第三十六頁，共64頁。第三十七頁，共64頁。 在飛機(jī)上的應(yīng)用 a.應(yīng)用歷史 波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次

42、,預(yù)示航空工業(yè)未來(wili)更加環(huán)保。但波音承認(rèn)，這一技術(shù)不太可能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮(zhèn)進(jìn)行試飛氫燃料電池飛機(jī)。 小型飛機(jī)起飛及爬升過程使用傳統(tǒng)電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飛機(jī)切斷傳統(tǒng)電池電源,只靠氫燃料電池提供動(dòng)力。飛機(jī)在1000米高空飛行了約20分鐘,時(shí)速約100公里。這一技術(shù)對(duì)波音公司意義重大,也讓航空工業(yè)的未來(wili)“充滿綠色希望”。 第三十八頁，共64頁。 b.技術(shù)局限性 在燃料價(jià)格上漲、環(huán)境污染與全球變暖的情況下，對(duì)更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長(zhǎng)。 氫燃料電池可以為

43、小型飛機(jī)提供飛行動(dòng)力，但不太可能為大型客機(jī)提供主要?jiǎng)恿Α?這一技術(shù)可能為大型飛機(jī)提供輔助動(dòng)力，但這需要技術(shù)突破。波音公司說，將繼續(xù)開發(fā)氫燃料電池的潛力(qinl)，以改善環(huán)境。 國(guó)際能源機(jī)構(gòu)說，推廣使用氫氣和氫燃料電池，可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產(chǎn)生溫室氣體的能源消耗。 第三十九頁，共64頁。 3.2甲烷燃料電池 甲烷燃料電池原理 甲烷燃料電池是以甲烷和氧氣為原料的化學(xué)電源，該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，在兩極上分別通甲烷和氧氣，將反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置(zhungzh)。 負(fù)極：CH4+10OH-8e-CO32- +7H2O 正極：O2+4e-+2H2O4OH- 離

44、子方程式為：CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O 總反應(yīng)方程式為：CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O 1.隨著電池不斷放電，電解質(zhì)溶液的堿性減小； 2.通常情況下，甲烷燃料電池的能量率大于甲烷燃燒的能量利用率。 第四十頁，共64頁。甲烷燃料電池的開發(fā)應(yīng)用甲烷來源豐富,在陽極的反應(yīng)方式多種多樣,具有不同的特點(diǎn),以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池適用于不同的場(chǎng)合,因此甲烷作燃料應(yīng)用于SOFC具有很大的發(fā)展前景。甲烷作燃料仍舊存在許多難題:陽極積碳問題至今沒有(mi yu)很好解決;內(nèi)部重整過程導(dǎo)致多種氣體共存于陽極,反應(yīng)紛繁復(fù)雜,反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)行為難以把握;蒸汽重整過程是劇烈吸熱

45、反應(yīng),而部分氧化過程是放熱反應(yīng)等等,因此進(jìn)一步開發(fā)新的陽極材料,使其能夠有效控制陽極反應(yīng)過程,以實(shí)現(xiàn)熱效應(yīng)匹配和熱平衡,從而減少電池?zé)釕?yīng)力,并提高電池效率,減少陽極積碳產(chǎn)生,提高電池壽命,這些都是以甲烷為燃料SOFC亟待解決的問題。 第四十一頁，共64頁。 3.3甲醇燃料電池 3.3.1電池操作原理直接甲醇燃料電池使用液態(tài)的甲醇(methanol，CH3OH)作燃料。它的發(fā)電核心是所謂的膜電極組(MEA，Membrane Electrode Assembly)。MEA包括陽極、陰極與隔離陰陽兩極的高分子薄膜。方程式(1)(3)是在陰、陽兩個(gè)電極的電化學(xué)反應(yīng)。甲醇在陽極因電化學(xué)反應(yīng)，氧化產(chǎn)生氫離

46、子與電子如(1)式。所產(chǎn)生的鋰離子透過具離子傳導(dǎo)功能的高分子薄膜，傳遞到陰極。所產(chǎn)生的電子流經(jīng)外部(wib)電路傳到陰極。在陰極，空氣中的氧氣便與傳遞到陰極的氫離子與電子反應(yīng)，還原成水如(2)式?？偡磻?yīng)便是甲醇與氧反應(yīng)生成水與二氧化碳如(3)式。第四十二頁，共64頁。3.3.2電池的結(jié)構(gòu)與組成他的陽極或是陰極包括：(a)擴(kuò)散層(DL，DiffusionLayer)，(b)微孔層(MPL，Micro Porous Layer)，(c)觸媒層。擴(kuò)散層主要的功能是讓反應(yīng)物(陽極的甲醇、陰極的氧氣)由擴(kuò)散層能夠均勻地?cái)U(kuò)散到觸媒層，同時(shí)能將觸媒層的電流導(dǎo)出或?qū)?。它是由孔隙度很大，?dǎo)電度高的碳紙所組成。

47、為了防止水在碳紙里面累積，碳紙內(nèi)的碳纖維表層涂有疏水性很高的鐵弗龍(Teflon)。微孔層的功能是防止擴(kuò)散層淹水，并將讓觸媒層的電流導(dǎo)出或?qū)?。它是由孔隙度小、?dǎo)電度高的碳粉所組成。這碳粉層內(nèi)有含量很高的疏水性鐵弗龍。觸媒層是由表面含有鉑金屬(Pt，platinum)的碳粉和具有質(zhì)子傳導(dǎo)功能的高分子(Nafion)所組成。鉑金屬的平均顆粒約在25nm，鉑金屬因奈米化而提高它的反應(yīng)表面積。高分子除了傳導(dǎo)質(zhì)子之外，它并作為黏結(jié)劑將觸媒固定(gdng)在電極上。隔離陰、陽兩極的是質(zhì)子交換膜，這層交換膜目前是由Nafion所組成。第四十三頁，共64頁。3.3.3電池組與系統(tǒng)直接甲醇燃料電池的理論輸出電

48、壓，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(25、1大氣壓下)是1.21V，目前實(shí)際能輸出的電壓約在0.30.4V。然而各種電子產(chǎn)品的電壓遠(yuǎn)大于單一電池的輸出電壓，如手機(jī)需3.5V，電腦需1020V。電池必須串聯(lián)成電池組(cellstack)才能(cinng)達(dá)到電子產(chǎn)品所需的電壓。圖3是各種電池串聯(lián)增壓的方式。(a)是單一電池；(b)是傳統(tǒng)疊堆式電池組，這種電池組合的優(yōu)點(diǎn)是電池內(nèi)阻(R)小，因電池內(nèi)阻所造成的電壓損失(內(nèi)阻電壓損失=電流I內(nèi)阻R)很小，適合大電流的電池；(c)是單電池配合增壓器(DCDConverter)，電壓增壓器可以將單電池的低電壓倍增到所需要的電壓，若所需要增壓的幅度太大，它的能量轉(zhuǎn)換效率將因而減

49、低；(d)平面式串連電池組，這種平面的組合適合許多外型扁平的電子產(chǎn)品，但是它的內(nèi)阻較疊堆式電池組要大很多，適合小電流的電池；(e)疊堆平面混合式電池組，擇中(b)與(d)的優(yōu)缺點(diǎn)。第四十四頁，共64頁。3.3.4應(yīng)用范圍國(guó)際間正在研發(fā)或展示中的燃料電池有許多種，包括：直接甲醇燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cel1)、堿性燃料電池(AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料電池(PAFC，Phosphoric AcidFuel Cel1)、熔融碳酸堿燃料電池(MCFC，MoltenCarbonate Fuel

50、Cell)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)以及生化燃料電池(MFC，Microbial Fuel Gell)。圖5是各種燃料電池大致(dzh)發(fā)展的功率范圍與電池操作的溫度范圍。生化燃料電池使用微生物或酵素作為電極，目前處于初期純研發(fā)階段，尚未達(dá)電子產(chǎn)品所須的發(fā)電功率。目前較為接近商業(yè)化的燃料電池系統(tǒng)是直接甲醇燃料電池與質(zhì)子交換膜燃料電池。熔融碳酸堿燃料電池與固態(tài)氧化物燃料電池已有分散式發(fā)電機(jī)的示范展示。第四十五頁，共64頁。 圖6是燃料電池各種可能應(yīng)用的范圍與所需的發(fā)電功率。直接甲醇燃料電池使用液態(tài)的甲醇，因此燃料的儲(chǔ)存、攜帶方便。但是它的輸出功率

51、不高，因此主要是發(fā)展作為3C小型電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)位相機(jī)(xingj)、光碟放映機(jī)、筆記型電腦、小型可攜式發(fā)電機(jī)的攜帶電源。輸出功率約在數(shù)瓦至數(shù)十瓦之間。目前直接甲醇燃料電池在3C小型電子產(chǎn)品的開發(fā)中，仍以日本公司最為積極。第四十六頁，共64頁。 筆記型電腦用的直接甲醇燃料電池可以粗分成兩個(gè)發(fā)展方向，一是疊堆電池組采用主動(dòng)式進(jìn)料(如INEC、Sanyo、Toshiba、Samsung)，另一是平面電池組采用被動(dòng)式進(jìn)料(如Fujitsu、Hitachi)。這些燃料電池的功率約在20W上下，燃料電池均搭配電腦內(nèi)的二次鋰電池混合供電。目前的發(fā)展均采用外掛型，也就是在功能上，燃料電池僅取代筆記型電腦

52、的直流電源供應(yīng)器，筆記型電腦依然配備二次鋰電池，所以在本身的設(shè)計(jì)并沒有(mi yu)作任何變更。未來的發(fā)展勢(shì)必會(huì)將電池整合到電腦內(nèi)。第四十七頁，共64頁。 3.4乙醇燃料電池 堿性乙醇燃料電池的優(yōu)勢(shì)： 易儲(chǔ)存，易推廣：與H2、CO、CH3等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體的，易儲(chǔ)存，尤其是無需在現(xiàn)有的公路交通體系下“另起爐灶”建設(shè)耗資巨大的氣體燃料補(bǔ)給站（加氣站），只要在現(xiàn)有的加油站的基礎(chǔ)上，稍加改動(dòng)即可完成(wn chng)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。 乙醇燃料工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的“農(nóng)業(yè)剩余廢物”水解發(fā)酵得到。 乙醇（就是俗稱的酒精），基本無毒，并且有特殊氣味；所以一旦

53、泄漏對(duì)生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現(xiàn)。第四十八頁，共64頁。 二、燃料電池的特點(diǎn) 燃料電池的原理和特點(diǎn) 燃料電池是靠氫氧結(jié)合成水的反應(yīng)來發(fā)電的，因而不會(huì)產(chǎn)生氮氧化物（NOX）和碳?xì)浠衔铮℉C）等易對(duì)空氣造成污染的物質(zhì)。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液。 燃料電池有著幾個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)： 1 燃料電池在工作時(shí)必須有能量(nngling)（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。 2 燃料電池所能夠產(chǎn)生的電能只和燃料的供應(yīng)有關(guān)，只要供給燃料就可以產(chǎn)生電能，其放電是連續(xù)進(jìn)行的。 3 燃料電池本體的質(zhì)量和體積并不大，但需要一套燃料儲(chǔ)存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備才能獲得氫氣，而這些燃料儲(chǔ)存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和

54、附屬設(shè)備的質(zhì)量和體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料電池本身。第四十九頁，共64頁。 三、燃料電池的歷史 燃料電池的歷史可以追溯到第19世紀(jì)英國(guó)法官和科學(xué)家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所進(jìn)行的電解作用(zuyng)實(shí)驗(yàn)使用電將水分解成氫和氧是人們后來稱之為燃料電池的第一個(gè)裝置。 接下來, 燃料電池歷史的主要一章是由劍橋大學(xué)的工程師Francis Thomas Bacon博士完成的。1932年，Bacon想到了Mond 和Langer發(fā)明的裝置，并對(duì)其原來的設(shè)計(jì)作了多次修改，包括用比較廉價(jià)的鎳網(wǎng)代替白金電極, 以及用不易腐蝕電極的硫酸電解質(zhì)代替堿性的氫氧化鉀。Baco

55、n將這種裝置叫做Bacon電池，它實(shí)際上就是第一個(gè)堿性燃料電池（alkaline fuel cell, AFC）。 不過，在經(jīng)歷27年后，Bacon才真正制造出能工作的燃料電池。1959年，他生產(chǎn)出一臺(tái)能足夠供焊機(jī)使用的5 kW機(jī)器。不久，人們很快發(fā)現(xiàn)，除Bacon之外，Allis-Chalmers公司的農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)商Harry Karl Ihrig也在這一年的晚期制造出第一臺(tái)以燃料電池為動(dòng)力的車輛。將1008塊他生產(chǎn)的這種電池連在一起，這種能產(chǎn)生15 kW的燃料電池組便能為一臺(tái)20馬力的拖拉機(jī)供電。上述發(fā)展為今天人們所知的燃料電池的商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。 第五十頁，共64頁。 燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展

56、史可以論為起始于20世紀(jì)60年代初期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)政府的新機(jī)構(gòu)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）正尋找為其即將進(jìn)行的一系列無人航天飛行(fixng)提供動(dòng)力的方法。由于使用干電池太重，太陽能價(jià)格昂貴，而核能又太危險(xiǎn)，NASA業(yè)已排除這幾種現(xiàn)有的能源，正著手探索其它解決辦法。燃料電池正好吸引了他們的視線，NASA便資助了一系列的研究合同，從事開發(fā)實(shí)用的燃料電池設(shè)計(jì)。 這種研究獲得了第一個(gè)質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）。1955年，就職于通用電器公司（GE）的化學(xué)家Willard Thomas Grubb進(jìn)一步改進(jìn)了原來的燃料電池設(shè)計(jì)，使用磺化的聚苯乙烯離子交

57、換膜作為電解質(zhì)。三年后，另一位GE的化學(xué)家Leonard Niedrach發(fā)明了一種將白金存放在這種膜山上的方法，從而制造出人們所知的“Grubb-Niedrach燃料電池”。此后，GE繼續(xù)與NASA合作開發(fā)這一技術(shù)，終于使其在Gemini空間項(xiàng)目中得到應(yīng)用。這便是第一次商業(yè)化使用燃料電池。第五十一頁，共64頁。20世紀(jì)初期，飛機(jī)制造商Pratt&Whitney獲得使用Bacon的堿性燃料電池專利的執(zhí)照，并著手對(duì)原來的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，試圖減輕其重量。Pratt&Whitney成功地開發(fā)了一種電池，其使用壽命比GE的質(zhì)子交換膜的壽命長(zhǎng)得多。正因?yàn)槿绱?，Pratt&Whitn

58、ey獲得了NASA的幾項(xiàng)合同，為其阿波羅航天飛機(jī)提供這種燃料電池。從此，這種堿性電池便用于隨后的大多數(shù)飛行任務(wù)，包括航天飛機(jī)的飛行。使用燃料電池作為能源的另一好處就是它能產(chǎn)生可飲用水作為副產(chǎn)品。盡管在空間應(yīng)用方面獲得了令人感興趣的發(fā)展，然而截至目前在地面應(yīng)用方面卻有鮮為人知的進(jìn)展。1973年的石油禁運(yùn)引發(fā)了人們對(duì)燃料電池動(dòng)力在地面應(yīng)用的重新興趣，因?yàn)樵S多政府期望降低對(duì)石油進(jìn)口的依賴性。不計(jì)其數(shù)的公司和政府部門開始認(rèn)真地研究解決燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的障礙的方法。在整個(gè)20世紀(jì)的70年代和80年代，大量的研究工作都致力于開發(fā)所需的材料，探索最佳的燃料源，以及迅速降低這種異乎尋常技術(shù)的成本。最后，直

59、到20世紀(jì)90年代，也就是Grove試驗(yàn)之后(zhhu)的150多年，正如第一個(gè)燃料電池揭開其面紗那樣，一種廉價(jià)的，清潔的，可再生的能源最終變成了事實(shí)。在這十年中，技術(shù)上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一輛以燃料電池為動(dòng)力的車輛。二年后， Ballard和Daimler Benz公司都生產(chǎn)出每升1 kW的燃料電池組。第五十二頁，共64頁。 四、燃料電池的應(yīng)用與使用 1、軍事上的應(yīng)用 軍事應(yīng)用應(yīng)該是燃料電池最主要，也是最適合的市場(chǎng)。高效，多面性，使用時(shí)間長(zhǎng)，以及寧?kù)o的工作，這些特點(diǎn)極適合于軍事工作對(duì)電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場(chǎng)上的移動(dòng)手提裝備

60、到海陸運(yùn)輸提供動(dòng)力。 在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長(zhǎng)的使用時(shí)間就意味著在戰(zhàn)場(chǎng)上勿需麻煩的備品供應(yīng)(gngyng)。此外，對(duì)于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。 同樣，燃料電池的運(yùn)輸效能能極大地減少活動(dòng)過程中所需的燃料用量，在進(jìn)行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠(yuǎn)，或在遙遠(yuǎn)的地區(qū)活動(dòng)更長(zhǎng)的時(shí)間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。自20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動(dòng)力。第五十三頁，共64頁。 2、移動(dòng)裝置上的應(yīng)用 伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動(dòng)電器的主要能源。微型燃料電池因其具有使用壽命長(zhǎng)，重量輕和充電方便等優(yōu)