燃料電池的應(yīng)用課件

燃料電池的應(yīng)用——文三619“滑板鞋團(tuán)隊(duì)”燃料電池的應(yīng)用——文三619“滑板鞋團(tuán)隊(duì)”101020304目錄燃料電池簡(jiǎn)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01020304目錄燃料電池簡(jiǎn)介及工作原理燃料電池的分類燃料21、燃料電池簡(jiǎn)介及工作原理1.1簡(jiǎn)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、燃料電池簡(jiǎn)介及工作原理1.1簡(jiǎn)介31.2工作原理

燃料電池由陽(yáng)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(yáng)極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽(yáng)極經(jīng)過(guò)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1.2工作原理燃料電池由陽(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)4（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）固態(tài)氧燃料電池（SOFC）

表2-1燃料電池所占市場(chǎng)分率

2、燃料電池的分類2、燃料電池的分類5表2-2各燃料電池參數(shù)表表2-2各燃料電池參數(shù)表62.1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(wú)電解質(zhì)腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可室溫快速啟動(dòng)。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動(dòng)車(chē)、軍用特種電源、可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動(dòng)車(chē)的最佳驅(qū)動(dòng)電源，它已成功地用于載人的公共汽車(chē)和奔馳轎車(chē)上。兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：陽(yáng)極(負(fù)極)：2H2-4e→4H+陰極(正極)：O2+4e+4H+→2H2O總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O

2.1質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)7圖2-1PEMFC裝置圖圖2-2

PEMFC工作原理圖圖2-1PEMFC裝置圖圖2-2PEMFC工作原理8

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(lái)源，而不需透過(guò)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(duì)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(jiǎn)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2-3DMFC裝置圖圖2-4DMFC工作原理圖直接甲醇燃料電池（DMFC）直接甲醇燃料電池（DMFC）92.2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(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(lái)倍，在汽車(chē)中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過(guò)，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。兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：陽(yáng)極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O2.2堿性燃料電池(AFC)102.3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(guò)程用鉑作催化劑，發(fā)電效率達(dá)40％。最初開(kāi)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(lái)則側(cè)重于作為向公寓、購(gòu)物中心、醫(yī)院、賓館等地方提供電和熱的現(xiàn)場(chǎng)集中電力系統(tǒng)。兩電極的反應(yīng)和總反應(yīng)分別為：陽(yáng)極：2H2+4e→4H+陰極：O2+4H+→4H2O+4e總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O2.3磷酸燃料電池(PAFC)磷酸型燃料電池是用112.4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(yáng)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(yáng)極：總反應(yīng)：2.4熔融碳酸燃料電池(MCFC)熔融碳酸燃料電122.5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(wú)材料腐蝕和電解液腐蝕等問(wèn)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?xì)浠衔?、氨氣、硫化氫等作燃料。這類電池最適合分散和集中發(fā)電。2.5固態(tài)氧燃料電池(SOFC)133、燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)3.1

燃料電池與其他幾種發(fā)電方式比較起來(lái)有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）燃料電池是通過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(huì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其可貴。3、燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)143.2燃料電池的缺點(diǎn)

(1)燃料電池的操作需要催化劑。常用的催化劑是鉑和鈀，都是很昂貴的金屬。

(2)要避免催化劑中毒的問(wèn)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?.2燃料電池的缺點(diǎn)(1)燃料電池的操作需要催化劑。15(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(gè)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(shí)間長(zhǎng)，約需時(shí)5分鐘,尚跟不上工商時(shí)代的步伐。(4)氫氣十分易燃和易爆，因此必須小心處理。在燃料電池16如何解決催化劑問(wèn)題？如何解決催化劑問(wèn)題？173.3.1發(fā)展貴金屬部分替代或完全替代的催化劑

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(kāi)放表面結(jié)構(gòu)、高密度的臺(tái)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(shí)，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核殼電催化劑。質(zhì)量比活性可達(dá)Pt/C的4倍．3.3.1發(fā)展貴金屬部分替代或完全替代的催化劑183.3.2非Pt催化劑取代Pt催化劑

在探求低Pt催化劑的同時(shí)，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5.3mg·cm-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0.4mg·cm-2的Gore電極性能相當(dāng)．但因前者擔(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。3.3.2非Pt催化劑取代Pt催化劑193.3.3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(huì)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(gè)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)。3.3.3催化劑載體的改進(jìn)204、燃料電池的應(yīng)用02040301在移動(dòng)裝置上軍事上空間領(lǐng)域運(yùn)輸上4、燃料電池的應(yīng)用02040301在移動(dòng)裝置上軍事上空間領(lǐng)域214.1燃料電池在移動(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。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)點(diǎn)，比常規(guī)電池具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。目前，美國(guó)正在試驗(yàn)以直接甲醇燃料電池為動(dòng)力的移動(dòng)電話，蘋(píng)果新型氫燃料電池移動(dòng)裝置可撐數(shù)周，而德國(guó)則在實(shí)驗(yàn)以這種能源為動(dòng)力的膝上型電腦。4.1燃料電池在移動(dòng)裝置上的應(yīng)用22圖4-1蘋(píng)果新型氫燃料電池圖4-2東芝燃料電池筆記本電腦圖4-1蘋(píng)果新型氫燃料電池圖4-2東芝燃料電池筆記本234.2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(dòng)力源。由于燃料電池相對(duì)于其他動(dòng)力能源來(lái)說(shuō)有很高的效率，因而可極大的減少體積和重量。對(duì)于航天器說(shuō)，減輕重量是很重要的！燃料電池沒(méi)有同時(shí)在其他方面得到應(yīng)用，主要的原因是當(dāng)時(shí)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(lái)研究和開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容。圖4-3“阿波羅11號(hào)”飛船4.2燃料電池在空間領(lǐng)域的應(yīng)用圖4-3“阿波244.3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(chǎng)上的移動(dòng)手提裝備到海陸運(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)。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(guò)程中所需的燃料用量，在進(jìn)行下一次加油之前，車(chē)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(chē)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(lái)，美國(guó)海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無(wú)人潛艇提供動(dòng)力。4.3燃料電池在軍事上的應(yīng)用25圖4-4燃料電池?zé)o人機(jī)圖4-5德海軍u212a燃料電池潛艇圖4-4燃料電池?zé)o人機(jī)圖4-5德海軍u212a燃料電264.4燃料電池在運(yùn)輸上的應(yīng)用

在世界各地，國(guó)家和地方機(jī)構(gòu)都在立法強(qiáng)迫汽車(chē)制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車(chē)輛。燃料電池可為這種要求帶來(lái)實(shí)質(zhì)的機(jī)遇。研究指出：當(dāng)一輛小車(chē)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(shí)，其二氧化碳的排放量可以減少高達(dá)72%。

燃料電池汽車(chē)是由電池和燃料電池提供動(dòng)力的電力車(chē)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(dòng)力傳動(dòng)裝置，4臺(tái)由燃料電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)直接同車(chē)輪相連推動(dòng)汽車(chē)行走。4.4燃料電池在運(yùn)輸上的應(yīng)用在世界各地，國(guó)家和地27圖4-6燃料電池車(chē)基本結(jié)構(gòu)圖4-7奔騰b70fcv氫燃料電池車(chē)圖4-6燃料電池車(chē)基本結(jié)構(gòu)圖4-7奔騰b70fcv28通用Hy-wire氫動(dòng)三號(hào)

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(guò)68升的氫氣儲(chǔ)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(dòng)機(jī)后，通過(guò)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(dòng)機(jī)后，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪