新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 8.2 燃料電池的技術(shù)分類

8.2燃料電池的技術(shù)分類任課教師：2018年6月概述類型堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池英文簡稱AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC電解質(zhì)氫氧化鉀溶液磷酸溶液熔融碳酸鋰/碳酸鉀氧化鋯系固態(tài)高分子聚合物燃料H2天然氣、甲醇、液化石油氣煤氣、天然氣天然氣、煤氣H2氧化劑O2空氣空氣空氣空氣工作溫度/℃60-120180-22060-120600-700600-1000分類低溫型中溫型高溫型高溫型低溫型燃料電池的分類目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5堿性燃料電池該燃料電池中，電解質(zhì)內(nèi)部傳輸?shù)膶?dǎo)電離子為OH-，氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，而氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。在陽極氫氣與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)生成水和電子。電子通過外電路到達(dá)陰極和氧氣與水生成氫氧根離子，生成的氫氧根離子通過電解質(zhì)回到陽極。陽極：H2+2OH-→2H2O+2e-陰極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-電解質(zhì)：KOH→K＋＋OH-

工作原理堿性燃料電池關(guān)鍵組件堿性燃料電池可選催化劑種類較多，既可以是鉑、鈀、金、銀等貴重金屬，也可以采用鎳、鈷、錳等過渡金屬作為催化劑。此外，貴金屬與過渡金屬組成的合金，例如鉑-鈀、鉑-金、鉑-鎳、鉑-鎳-鈷、鎳-錳等合金，也都可以作為堿性燃料電池的催化劑。石墨和鎳都具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，在堿性介質(zhì)中不易腐蝕，而且價格并不高，因此，適合作為AFC的雙極板材料。然而，兩者各有其缺點(diǎn)，石墨板由于質(zhì)地較脆，所需厚度往往超過3mm，因此石墨雙極板AFC電池堆的體積比功率無法提高；相對地，由于鎳的密度比較大，以鎳板作為雙極板材料的AFC電池堆的質(zhì)量比功率會降低。堿性燃料電池特性VS優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

堿性燃料電池可以使用非鉑催化劑，如硼化鎳等。這樣不但可以降低成本，而且還不受鉑資源的限制。

堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)可以使用塑料、石墨或者非貴重與稀有金屬等較為便宜的材料。1)在以空氣作為氧化劑時，

必須清除空氣中所含的二氧化碳。2)當(dāng)以各種碳?xì)浠衔锏闹卣麣庾鳛槿剂蠚怏w時，必須脫除氣體中的二氧化碳。3)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)所生成產(chǎn)物必須及時排除，增加了成本。目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5工作原理磷酸燃料電池是以磷酸作為電解質(zhì)的一種燃料電池。采用氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。在陽極，氫氣在電極表面釋放出電子生成氫離子，氫離子通過電解質(zhì)層依靠濃度差擴(kuò)散遷移到陰極；在陰極，由電解質(zhì)遷移來的氫離子與從外電路流入的電子及外部供給的氧氣生成水。陽極：

H2→2H++2e-

陰極：

1/2O2+2e-+2H+→H2O

磷酸型燃料電池關(guān)鍵組件磷酸型燃料電池電極：由碳載體和鉑催化劑層組成，通過化學(xué)吸附法將催化劑沉積在載體表面，電極的厚度約為0.1mm。催化劑：采用耐腐蝕的貴金屬鉑。這是由于磷酸的腐蝕性強(qiáng)，多數(shù)合金和金屬受酸性電解質(zhì)腐蝕嚴(yán)重。雙極板：常用的材料是石墨，這是由于磷酸具有腐蝕性，雙極板不能采用一般的金屬材料制作。散熱板：在每2-5個單體電池之間加入一片散熱板，散熱冷卻劑常用水、空氣或絕緣油等，其中以水為最常用的冷卻劑。工作條件及特性磷酸型燃料電池工作溫度：180-220℃，其依據(jù)是磷酸的蒸汽壓、材料的耐腐蝕性能、催化劑的耐CO能力及電池特性。工作壓力：常壓至0.8MPa，通常對于小容量電池采用常壓工作，對于大容量PAFC電池組，多采用加壓工作。穩(wěn)定性良好；余熱利用中獲得的水可以直接作為人們?nèi)粘Ｉ钣脽崴?；啟動時間短。催化劑必須用貴金屬，成本較高；若燃料氣中的CO過高，催化劑將會被CO毒化而失去催化活性。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5熔融碳酸鹽燃料電池采用堿金屬的碳酸鹽作為電解質(zhì)，載流子為碳酸根離子(CO32-)，不需要貴金屬做催化劑。燃料氣為H2，氧化劑是O2和CO2。當(dāng)電池工作時，陽極上的H2與從陰極區(qū)遷移過來的CO32-反應(yīng)，生成CO2和H2O，同時將電子輸送到外電路；而陰極上的O2和CO2與從外電路輸送過來的電子結(jié)合，生成碳酸根離子CO32-陽極：

H2+CO32-→CO2+H2O+2e-

總反應(yīng)：H2+1/2O2+CO2(c)→H2O+CO2(a)工作原理熔融碳酸鹽燃料電池關(guān)鍵組件催化劑：采用鎳-鋁合金，陰極材料以氧化鎳為主。電解質(zhì)載體：采用γ-LiAlO2和粘接劑在高溫下燒結(jié)得到電解質(zhì)載體。鋁酸鋰的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高而且具有抗碳酸鹽腐蝕的能力，符合熔融碳酸鹽電解質(zhì)載體所需的條件。雙極板：通常由不銹鋼或鎳基合金制作而成，其具有極佳的穩(wěn)定性，而且具有導(dǎo)電性好、熱阻小的優(yōu)點(diǎn)。熔融碳酸鹽燃料電池特性VS優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

不需要貴金屬做催化劑?？梢允褂肅O含量高的燃料氣體，如煤制氣。二氧化碳排放量可以減少40%以上。排出高溫氣體余熱可以回收使用或與汽輪機(jī)并聯(lián)發(fā)電，復(fù)合循環(huán)發(fā)電的效率可提高到80%。1)高溫以及電解質(zhì)的腐蝕性對電池各種材料的長期耐腐蝕性能有嚴(yán)格要求，電池的壽命因而也受到一定的限制。2)單體燃料電池邊緣的高溫密封技術(shù)難度大，增加了制造成本。目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5固體氧化物燃料電池采用在高溫下具有傳遞氧離子(O2-)能力的固態(tài)氧化物作為電解質(zhì)，通常直接以天然氣、煤氣、厭氧消化氣等碳?xì)浠衔镒鳛槿剂蠚怏w，以空氣作為氧化劑。在陰極，空氣中的氧原子與外電路提供的電子反應(yīng)而成氧離子O2-，氧離子O2-經(jīng)固體電解質(zhì)由陰極遷移至陽極。在陽極，燃料氣體與氧離子進(jìn)行氧化反應(yīng)生成水(或CO2)并釋放出電子。陽極：

H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-陰極：1/2O2+2e-→O2-總反應(yīng)：

mH2+nCO+1/2(m+n)O2→mH2O+nCO2工作原理固體氧化物燃料電池關(guān)鍵組件電解質(zhì)：主要成分是三氧化二釔（Y2O3）和氧化鋯（ZrO2）。催化劑：采用摻入鍶的錳酸鑭(Sr-dopedLaMnO3，LSM)作為陰極催化劑，LSM不但具有較高的催化活性，而且具有良好的導(dǎo)電性。結(jié)構(gòu)型式：有管式結(jié)構(gòu)和平板式結(jié)構(gòu)兩種。管式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行陽極與陰極密封，然而工藝復(fù)雜、成本較高。平板式結(jié)構(gòu)相對簡單，制作成本低，但是高溫密封困難，目前研究人員已經(jīng)成功的開發(fā)出陶瓷的復(fù)合無機(jī)密封材料，解決了平板式SOFC高溫密封的問題。固體氧化物燃料電池特性VS優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

電解質(zhì)是固體，因此沒有電解質(zhì)蒸發(fā)和溢漏的問題。無需使用貴金屬催化劑，而且本身具有內(nèi)重整能力，故可以直接采用天然氣、煤氣或其它碳?xì)浠衔镒魅剂?，簡化了電池系統(tǒng)。SOFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡單，發(fā)電容量范圍大，用途更加廣泛。高溫工作下的SOFC的缺點(diǎn)是對電池材料的要求高，價格較貴。SOFC的所有元件，包括電極、電解質(zhì)以及雙極板等，都必須具備穩(wěn)定的物化特性，電極材料之間不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且彼此之間的熱膨脹系數(shù)也要相互配合。目錄Contents堿性燃料電池磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池

固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣或凈化重整燃料氣為燃料氣體，以空氣或純氧為氧化劑。在陽極，氫氣在催化劑的作用下解離為氫離子與電子，氫離子通過質(zhì)子交換膜往陰極移動，而電子則經(jīng)由外電路對負(fù)載做功后移往陰極，在陰極，氧氣、電子以及氫離子在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生液態(tài)水。陽極：

H2→2H++2e-

陰極：

1/2O2+2e-+2H+→H2O電池總反應(yīng)：

H2+1/2O2→H2O工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵組件電解質(zhì)：采用固態(tài)高分子聚合物，聚全氟磺酸膜是目前最常用的電解質(zhì)。催化劑：目前則普遍采用納米級的鉑金屬。電極：采用碳載鉑技術(shù)，并添加粘結(jié)劑與質(zhì)子傳導(dǎo)劑，涂布在氣體擴(kuò)散層或質(zhì)子交換膜上，然后再用熱壓的方法將氣體擴(kuò)散層與膜壓合。膜電極（MEA）：是PEMFC的心臟部位，MEA是由氫陽極、質(zhì)子交換膜和氧陰極熱壓而成的三合一組件。MEA不僅需要有傳輸反應(yīng)氣和水的通道，還需要有質(zhì)子和電子的傳輸通道。質(zhì)子交換膜燃料電池特性VS優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

電解質(zhì)是固體，內(nèi)部唯一的液體為水。結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，電池壽命長。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度較低（<80℃）低溫工作使其具有激活時間短的特性，能在幾分鐘內(nèi)達(dá)到滿載。1)催化劑成本高；膜的價格高，供應(yīng)商少。2)必須在水的產(chǎn)