燃料电池的分类及发展讲座课件.pptx
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1、一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池的分类及发展CLICK HERE TO ADD WORDS CLICK HERE TO ADD WORDS CLICK HERE TO ADD WORDS CLICK HERE TO ADD演讲人:XXX一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是
2、绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。CONTENT燃料电池的基本原理1 1燃料电池的分类2 2燃料电池汽车的问题3 3一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿
3、的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。1燃料电池的基本原理燃料电池的组成燃料电池的工作原理一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池的基本原理 u燃料电池的特点燃料电池的能量转换效率高,不受卡诺效率限制
4、。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好,噪声低。 所用燃料广泛,占地面积小,建厂具有很大灵活性。 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池的组成和工作原理 n 燃料电池的基本组成:阳极、阴极、电解质和外电路。
5、燃料电池中的电解质有不同的种类。 图103 燃料电池的基本单元 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池的工作原理(以氢氧磷酸型电池为例)(1)氢气在阳极催化剂的作用下,发生下列阳极反应:(2)氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下,生成水反应式
6、为:(3)综合起来,氢氧燃料电池中总的电池反应为:伴随着电池反应,电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给,该燃料电池就会连续不断地产生电能。eHH222OHOeH222122OHOH22222一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池中的催化作用 n燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料
7、电池化学反应中电荷转移的一种作用,一般发生在电极与电解质的分界面上。 n催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征,使得人们可以更好地优选不同的催化剂。 *评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电导率和经济性。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染
8、到了我的心间。2燃料电池的分类按燃料电池的运行机理分。按燃料电池的运行机理分。按电解质的种类不同,有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质按电解质的种类不同,有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质按燃料类型分。按燃料类型分。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。燃料电池的分类 一、燃料电池的分类 1、按
9、燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2. 按电解质的种类不同,有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 2.1碱性燃料电池(AFC)、 2.2质子交换膜燃料电池(PEMFC) 2.3磷酸燃料电池(PAFC)、 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、 2.5固体氧化物燃料电池(SOFC)、 3. 按燃料类型分。 3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片
10、片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。 燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度,燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源,燃料电池可分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池),间接式燃料电池(如甲醇通过重整器产生氢气,然后以氢气为燃料电池的燃料)和再生类型进行分类。依据电解质的不同,可将燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。
11、一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿
12、了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。2.1碱性燃料电池(AFC)2.1.1 碱性染料电池简介 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水。 负极反应: 正极反应: 碱性燃料电池的工作温度大约80。因此,它们的启动也很快,但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得相当笨拙。不过,它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池,因此可用于小型的固定发电装置。 如同质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外,其原料不能含有一氧化碳,因为一氧化碳能与
13、氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,降低电池的性能。eOHOHH444222OHeOHO44222 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。图108 碱性燃料电池的结构(自由电解质型) 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野
14、都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。212 AFC的优点是: 效率高,因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高; 因为是碱性介质,可以用非铂催化剂; 因工作温度低,碱性介质,所以可以采用镍板做双极板。21.3 AFC的缺点是: 因为电解质为碱性,易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀,严重影响电池性能,所以必须除去CO2,这给其在常规环境中应用带来很大的困难。 电池的水平衡问题很复杂,影响电池的稳
15、定性。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。 2.1.4、碱性染料电池的发展现状 碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,碱性燃料电池)是最早开发并获得成功的燃料电池,早在20世纪60年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电池采用KOH等碱性溶液为电解质,用H2或NH3、N2H2
16、裂解的H2为燃料,空气或O2为氧化剂,使用贵金属(如Pt、Ag等)和过渡金属(如Ni等)或者由它们组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点,具有较高的电效率(60%90%),迄今为止,它仍是最适合于太空使用的燃料电池。 碱性燃料电池分为中温(工作温度约为523K)和低温(工作温度低于373K)两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上的电源,经过几十年的使用,被证明为安全可靠的太空电源;低温碱性燃料电池是今后开发重点,其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。 碱性燃料电池与其他燃料电池相比,碱性燃料电池系统具有较高的电效率(60%90%),可以在室温下快速启动,并迅速
17、达到额定负荷,而且电池的本体材料选择广泛,电池造价较低。因此,碱性燃料电池作为高效且价格低廉的成熟技术,若应用于便携式电源和交通工具用动力电源,具有一定的发展和应用前景。 碱性燃料在实际使用中,往往采用空气作为氧化剂,空气中的CO2会毒害碱性电解质生成碳酸根离子,对电池的效率和使用寿命造成影响,使得碱性燃料电池系统需要复杂的CO2脱除装置,而且只能用纯H2为燃料;此外,碱性燃料电池的催化剂一般采用贵金属Pt才能获取电池的高性能,且需要一个控制体系保持电解质浓度的恒定。这些造成碱性燃料电池系统的复杂化,成本增高,导致其不适于民用、与其他燃料电池相比竞争力降低。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪
18、。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。 20世纪90年代以来,众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷,使其在汽车上的应用受到限制,因此,除少数机构还在研究碱性燃料电池外,大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)上寻
19、求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂,一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段,将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂,如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2,克服其致命弱点后,用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此,碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更
20、是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。 2.2质子交换膜燃料电池(PEMFC) 2.21质子交换膜燃料电池简介 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,英文简称PEMFC)是一种燃料电池,在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。 两电极的反应分别为: 阳极(负极):2H2-4e=4H+ 阴极(
21、正极):O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时,阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度,通常在0.51V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染
22、到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。PEMFC的电极常被称为膜电极组件,它是指质子交换膜和其两侧各一片多孔
23、气体扩散电极(涂有催化剂的多孔碳布)组成的阴、阳极和电解质的复合体。 图1019 膜电极结构示意图 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成质子交
24、换膜燃料电池电堆,如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。 电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧,使催化剂靠近质子交换膜,在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作,具有高密度、高强度,无穿孔性漏气,在高压强下无变形,导电、导热性能优良,与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约23.7mm,经铣床加工成具有一定
25、形状的导流流体槽及流体通道,其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。 一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。一望无际的田野上泛起一片片绿色的涟漪。草木是绿的、山水是绿的、棋格般划分的田野更是绿了,绿得干净,绿得出奇。漫山遍野都是荡漾着春意的绿,悄悄地用这般蓬勃的绿染到了我的心间。2.2.2 质子交换膜燃料电池优点 质子交换膜燃料电池具有如下优点: 其发电过程不涉及氢氧燃烧,因而不受卡诺循环的限制,能量转换率高; 发电时不产生污染,发电单元模块化,可靠性高,组装和
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