質子交換膜燃料電池

1、質子交換膜燃料電池簡介目錄n燃料電池的概念n燃料電池的分類n燃料電池的優(yōu)勢n燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀n燃料電池汽車燃料電池的概念n燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。n從結構上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”，而是一個“發(fā)電廠”。電能轉換效率一般為45%-60%，而火力發(fā)電的效率一般在30%-40%。n燃料電池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。 最近五年商業(yè)化發(fā)展非常迅速，在航空航天、交通運輸、消費電子產(chǎn)品及固定供電供熱裝置等領域有了很多成功運用。n目前燃料電池根據(jù)應用方式不同，分為三

2、大應用領域類型：移動型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運輸(Transport)燃料電池的分類n燃料電池按電解質劃分已有6個種類得到了發(fā)展l堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell,AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液 l磷酸鹽型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）采用200高溫下的磷酸作為其電解質 l熔融碳酸鹽型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC）采用熔融態(tài)碳酸鹽作為其電解質 l固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）采用固態(tài)電解質 l質子交換膜燃料

3、電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質l直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）屬于質子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。質子交換膜燃料電池簡介質子交換膜燃料電池簡介n質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極

4、為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。n兩電極的反應分別為：n陽極(負極)：2H2-4e=4H+ n陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O n注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時，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1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.51V 之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸

5、出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。 燃料電池工作原理圖燃料電池電堆照片燃料電池結構示意圖直接甲醇燃料電池DMFCn屬于質子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過甲醇、汽油及天然氣的重整制氫以供發(fā)電。n相較于質子交換膜燃料電池，直接甲醇燃料電池具備低溫快速啟動、燃料潔凈環(huán)保以及電池結構簡單等特性。這使得直接甲醇燃料電池可能成為未來便攜式電子產(chǎn)品應用的主流。n體積小巧，燃料使用便利，潔凈環(huán)保，可以用作移動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力；n其缺點是當甲醇低溫轉換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質子交換膜燃料電

6、池需要更多的白金催化劑。燃料電池的優(yōu)勢n潔凈、安全的發(fā)電裝置 有害氣體x、x及噪音排放都很低；積木化強，規(guī)模及安裝地點靈活，n能量轉化效率高 直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾效率限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料電能轉換效率在45%60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%40%。 多燃料系統(tǒng)、燃料熱值高 可根據(jù)各種燃料電池的用途和條件選擇使用最合適的燃料 n負荷響應快，運行質量高 質子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、結構簡單、操作方便等n我國質子交換膜燃料電池發(fā)展歷程燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀n燃料電池可提供多樣化的能源解決方案，將來極有可能替代傳統(tǒng)的電源供應裝置，如電池、內(nèi)燃

7、機。燃料電池的應用及其廣泛，從家庭供電供熱、移動電子設備供電到汽車動力推進系統(tǒng)。n根據(jù)燃料電池的應用方式，一般分為移動型（Portable)、固定型(Stationary)、交通運輸型(Transport)；n2010年，全球燃料電池總出貨量同比增長40%，達到了創(chuàng)歷史記錄的23萬套，其中，移動型燃料電池約占總出貨量的95%。值得注意的是，2010年全球銷售的燃料電池中有超過97%使用的是PEMFC，即質子交換膜燃料電池技術，該類型燃料電池被認為最適合應用于新能源汽車。2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)應用方式劃分）單位：千套資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全

8、球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)應用方式劃分）單位：MW資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全球燃料電池出貨量（根據(jù)地區(qū)劃分）單位：千套資料來源：Fuel Cell Today2007-2011全球燃料電池發(fā)電功率（根據(jù)地區(qū)劃分）單位：MW資料來源：Fuel Cell Today根據(jù)出貨量劃分資料來源：Fuel Cell TodayPEMFC：質子交換膜燃料電池 DMFC：直接甲醇燃料電池S O F C：固體氧化物燃料電池 MCFC：熔融碳酸鹽型燃料電池A F C：堿性燃料電池 P AFC：磷酸鹽型燃料電池根據(jù)發(fā)電功率劃分2010年全球各技術類型燃料電池發(fā)展狀況參考數(shù)據(jù)資料來源：

9、Fuel Cell Today參考數(shù)據(jù)資料來源：Fuel Cell Today質子交換膜燃料電池應用n便攜式燃料電池n 每12克產(chǎn)品可以生產(chǎn)純度為99.999%的氫氣121克，能滿足產(chǎn)品5h的運行需求。n 新加坡Horizon 燃料電池公司也對中國市場有興趣，主要目標是MiniPak 電子充電器的應用。這種產(chǎn)品可以在家用加氫站中加氫，每個加滿需要半小時，充滿后可滿足iPhone 4兩次充電需求，大概一周脫離電網(wǎng)的電量。4 W便攜式燃料電池充電器燃料電池汽車FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)

10、生化學反應，從而產(chǎn)生出電能啟動電動機，進而驅動汽車。甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫（從這些物質里間接地提取氫），不過將會產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。燃料電池的能量轉換效率比內(nèi)燃機要高23倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。在全球溫室效應與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家的污染法規(guī)漸趨嚴格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領先的有美國通用、德國戴姆勒、日本豐田和本田等。 國內(nèi)有上海的上汽集團、同濟大學汽車學院。由同濟大學與國內(nèi)五大整車廠合作生產(chǎn)、在上海世博園區(qū)示范運營的196輛燃料電池汽車（含90輛燃料

11、電池轎車、6輛燃料電池客車和100輛燃料電池觀光車），自上海世博會開園以來連續(xù)運行5個月。其中，僅在園區(qū)內(nèi)高架步道及北環(huán)路運行的燃料電池觀光車一種車型，已累計載客137萬人次，總行駛里程達44萬余公里。通用Hy-wire氫動三號 由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機驅動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達400公里。 “氫動三號”是首款在日本獲得綠色商用牌照的燃料電池車，也是首輛得到公路行駛許可的液氫燃料電池汽車。在所有獲準在日本公路行駛

12、的燃料電池車中，“氫動三號”以長達400公里的持續(xù)行駛距離拔得頭籌。起亞霸銳FCEV在2008年洛杉磯車展上亮相的起亞汽車的全新燃料電池電動車型Borrego FCEV這款起亞Borrego FCEV車型配有全新的氫燃料電池和450伏100千瓦電機，最大功率為154馬力。根據(jù)起亞汽車官方的報道，這款全新SUV 0到60英里每小時的加速時間為12.8秒，最高時速為100英里每小時。起亞Borrego FCEV車型裝有10,000psi的氫氣儲藏罐，可以確保該款車型連續(xù)行駛426英里。燃料電池產(chǎn)業(yè)化的主要問題 系統(tǒng)及整套產(chǎn)品的開發(fā)設計 燃料氫，其制備、儲存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題 電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求 成本高，現(xiàn)有50KW質子交換膜燃料電池發(fā)動機的成本為300美元/KW，但是，燃料電池電動汽車應用成本的目標是50美元KW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動汽車商業(yè)化的關鍵問題之一。經(jīng)過近20多年的高速發(fā)展，質子交換膜燃料電池技術PEMFC取得了巨大的進步，成功地解決了很多問題。但是要想實現(xiàn)質子交換膜燃料電池的商業(yè)化，還有很多關鍵問題需要解