燃料電池的應(yīng)用

1、燃料電池的應(yīng)用文三619“滑板鞋團(tuán)隊(duì)”燃料電池簡介及工作原理燃料電池的分類燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)燃料電池的應(yīng)用1、燃料電池簡介及工作原理1.1 簡介 燃料電池是一種把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。是繼水力、火力、原子能發(fā)電方式之后的“第四種發(fā)電方式”。1.2 工作原理 燃料電池由陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學(xué)電池類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極經(jīng)過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。圖1-1 燃料電池工作原理圖（1）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） （2）堿性燃料電池（AFC）（3）磷酸燃料電池（PAFC）（4）熔融碳酸燃料電池（MCFC）（5

2、）固態(tài)氧燃料電池（SOFC） 表2-1 燃料電池所占市場分率 2、燃料電池的分類表2-2 各燃料電池參數(shù)表2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動車的最佳驅(qū)動電源，它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。 兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為： 陽極(負(fù)極)：2H2-4e4H+ 陰極(正極)：O2+4e+4H+2H2O 總反應(yīng)： 2H2+O2=2H2O 圖2-1 PEMFC裝置圖圖2-2 PEMF

3、C工作原理圖 屬于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中之一類，系直接使用液態(tài)甲醇為燃料供給來源，而不需透過重組器重組甲醇、汽油及天然氣等再取出氫以供發(fā)電。相對于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) ，直接甲醇燃料電池 (DMFC) 的低溫生電、燃料成分危險(xiǎn)性低與生電結(jié)構(gòu)簡單等特性使直接甲醇燃料電池 (DMFC)成為可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用的主流。 圖2-3 DMFC裝置圖 圖2-4 DMFC工作原理圖直接甲醇燃料電池（DMFC）2.2 堿性燃料電池(AFC) 堿性燃料電池的工作溫度大約70。因此，它們的啟動也很快，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，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料

4、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。 兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為： 陽極反應(yīng)：2H2+4OH- 4H2O+4e- 陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e- 4OH- 總反應(yīng)： 2H2+O2=2H2O 2.3 磷酸燃料電池(PAFC) 磷酸型燃料電池是用氫的純度極高的天然氣或甲醇作燃料，工作溫度為200，反應(yīng)過程用鉑作催化劑鉑作催化劑，發(fā)電效率達(dá)40。最初開發(fā)磷酸燃料電池是為了控制發(fā)電廠的峰谷用電平衡，近來則側(cè)重于作為向公寓、購物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場集中電力系統(tǒng)。 兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為： 陽極：2H2+4e4H+ 陰極：O2+4H+4H2O+4e 總反應(yīng)：

5、2H2+O2=2H2O2.4 熔融碳酸燃料電池(MCFC) 熔融碳酸燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、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，兩電極反應(yīng)和總反應(yīng)為：陰極：陽極：總反應(yīng)：322242COeCOOeOHCOCOH422222232OHHO222222.5 固態(tài)氧燃料電池(SOFC) 固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質(zhì)，除了高效，環(huán)境友好的特點(diǎn)外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；在高的工作溫度下電池排出的高質(zhì)量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上;它的燃料適用范圍廣不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣（甲烷）、煤汽化氣、碳

6、氫化合物、氨氣、硫化氫等作燃料。這類電池最適合分散和集中發(fā)電。3、燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)3.13.1 燃料電池與其他幾種發(fā)電方式比較起來有以下幾個主要優(yōu)點(diǎn)： （1）燃料電池是通過燃料與氧化劑的化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，沒有中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，因而這種發(fā)電方式能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)50。還可回收發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱。若把產(chǎn)生的余熱再用于發(fā)電或供暖、供水等，綜合考慮效率能達(dá)到80。 （2）燃料電池發(fā)電過程，機(jī)械部件很少，噪聲低；化學(xué)反應(yīng)的排出物主要是水蒸氣等潔凈的氣體，不會污染環(huán)境。在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，燃料電池的這個優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。3.2 燃料電池的缺點(diǎn) (1)燃料電池的操作需要催化劑。常用的催化

7、劑是鉑和鈀，都是很昂貴的金屬。 (2)要避免催化劑中毒的問題，電池所采用的燃料和氧化劑的純度必須很高。生產(chǎn)純氫氣和氧氣要求很高的技術(shù)。 (3)要能抵受高溫堿性溶液的高度侵蝕環(huán)境，燃料電池的外殼必須采用特別材料。材料技術(shù)的進(jìn)展緩慢，并未能找到適當(dāng)?shù)牟牧稀?(4) 氫氣十分易燃和易爆，因此必須小心處理。在燃料電池的商業(yè)應(yīng)用中，如何安全配送氫氣燃料成為一個主要障礙。興建氫氣配送系統(tǒng)的成本十分高。 (5)氫燃料基礎(chǔ)建設(shè)不足, 氫氣在工業(yè)界雖已使用多年且具經(jīng)濟(jì)規(guī)模，但全世界充氫站僅約70站 ，仍值示范推廣階。此外，加氣時間長，約需時5分鐘, 尚跟不上工商時代的步伐。 3.3.1 發(fā)展貴金屬部分替代或完全

8、替代的催化劑 優(yōu)化制備方法， 利用形貌控制，可有效地提高催化劑活性與穩(wěn)定性。利用高指數(shù)晶面Pt具有的開放表面結(jié)構(gòu)、高密度的臺階原子以及其所處的短程有序環(huán)境等特點(diǎn)，使催化劑的活性和穩(wěn)定性方面均得到顯著提高。 Pt合金催化劑目前顯示出較好的發(fā)展前景，借助加入第2或第3種非Pt金屬，利用電子或幾何效應(yīng)，在達(dá)到低 Pt、高活性的同時，穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。其中核殼型催化劑是研究熱點(diǎn)之一，利用非貴金屬為支撐核，表面貴金屬為殼的結(jié)構(gòu)，可降低Pt用量，提高質(zhì)量比活性如由欠電位沉積方法制備的Pt-Pd-Co/C單層核殼催化劑總質(zhì)量比活性是商業(yè)催化劑Pt/C的3倍; 利用脫合金方法制備的Pt-Cu-Co /C核殼電

9、催化劑。質(zhì)量比活性可達(dá)Pt/C的4倍 3.3.2 非Pt催化劑取代Pt催化劑 在探求低Pt催化劑的同時，非Pt催化劑的研究也一直在進(jìn)行中。如金屬硫族化合物、金屬大環(huán)配合物等展示了較好的初活性，但穩(wěn)定性還遠(yuǎn)滿足不了要求。 近期，以載量為5.3mgcm- 2 的非貴金屬 Fe/N/C 電催化劑制備的電極，低電流密度下與Pt載量為0.4 mgcm- 2 的Gore 電極性能相當(dāng)?shù)蚯罢邠?dān)載量比 Pt催化劑高出幾倍甚至十幾倍，電極厚度隨之增加，從而導(dǎo)致電極反應(yīng)的傳質(zhì)阻力大幅度增加，而且其穩(wěn)定性還需進(jìn)一步改善。此外，近期研究的氮摻雜碳基非 Pt催化劑也表現(xiàn)出較高的氧還原反應(yīng)催化活性與穩(wěn)定性。3.3.3

10、催化劑載體的改進(jìn) 由于目前Pt催化劑載體大多采用XC- 72碳黑。在高電位及電位循環(huán)下會發(fā)生載體腐蝕，是造成催化劑團(tuán)聚與流失的主要原因。 改進(jìn)催化劑載體可以從 2 個方面著手，一是改進(jìn)目前的碳載體材料，如高溫石墨化處理、添加官能團(tuán)等方法，可以提高高電位下載體的耐腐蝕性; 二是采用新的載體材料，碳納米管或氮摻雜的碳納米管、 納米碳須、 WxCy、 氧化銦錫等碳與非碳載體。這些新型載體材料在一定程度上提高了耐腐蝕性，但是比表面積均遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的載體材料。目前具有高導(dǎo)電、高比表面積與高耐蝕性兼顧的載體材料還是研究的難點(diǎn)。4、燃料電池的應(yīng)用在移動裝置上軍事上空間領(lǐng)域運(yùn)輸上4.1 燃料電池在移動裝置上的應(yīng)

11、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電器。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點(diǎn)，比常規(guī)電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。 目前，美國正在試驗(yàn)以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，蘋果新型氫燃料電池移動裝置可撐數(shù)周，而德國則在實(shí)驗(yàn)以這種能源為動力的膝上型電腦。圖4-1 蘋果新型氫燃料電池圖4-2 東芝燃料電池筆記本電腦4.2 燃料電池在空間領(lǐng)域的應(yīng)用 燃料電池在空間領(lǐng)域的應(yīng)用：燃料電池最早和最成功的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，它被用作航天飛船的動力源。由于燃料電池相對于其他動力能源來說有很高的效率，因而可極大的減少體積和重量。對于航天器說，減輕重量是很重要的！ 燃料電池沒有同

12、時在其他方面得到應(yīng)用，主要的原因是當(dāng)時的燃料電池造價(jià)昂貴；因此，降低燃料電池的造價(jià)是多年來研究和開發(fā)的主要內(nèi)容。圖4-3 “阿波羅11號”飛船4.3 燃料電池在軍事上的應(yīng)用 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)場上的移動手提裝備到海陸運(yùn)輸提供動力。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，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應(yīng)。此外，對于燃料電池而言，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)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便

13、可以顯著的減少。 自20世紀(jì)80年代以來，美國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力。圖4-4 燃料電池?zé)o人機(jī)圖4-5 德海軍u212a燃料電池潛艇4.4 燃料電池在運(yùn)輸上的應(yīng)用 在世界各地，國家和地方機(jī)構(gòu)都在立法強(qiáng)迫汽車制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車輛。燃料電池可為這種要求帶來實(shí)質(zhì)的機(jī)遇。研究指出：當(dāng)一輛小車使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內(nèi)燃機(jī)時，其二氧化碳的排放量可以減少高達(dá)72%。 燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅(qū)動的電機(jī)直接同車輪相連推動汽車行走。圖4-6 燃料電池車基本結(jié)構(gòu)圖4-7 奔騰b70 fcv氫燃料電池車通用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(jī)后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)產(chǎn)生的電能輸入電動機(jī)后，驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程可達(dá)400公里。圖4-8 通用Hy-wire 氫動三號超越二號 同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池轎