燃料电池技术及应用SlideBoom课件.ppt

1、固体电解质在中学习题中已频繁出现：【例题】、CO无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一种CO分析仪的工作原理如右图所示，该装置中电解质为氧化钇氧化钠，其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动。下列说法错误的是（B）A负极的电极反应式为：CO+O 2 2e-CO2 B、工作时电极b作正极，O2-由电极a流向电极bC工作时电子由电极a通过传感器流向电极bD传感器中通过的电流越大，尾气中CO的含量越高多 孔 电 极 a 传 感 器多 孔 电 极 bCO空 气NASICON 先从一道化学题说起：能导电的物体称为能导电的物体称为导体导体。第一类导体（电子导体）：依靠电子传送

2、第一类导体（电子导体）：依靠电子传送电流。电流。金属，石墨，金属氧化物（金属，石墨，金属氧化物（如如.PbO2,Fe3O4）等）等 第二类导体（离子导体）：离子的移动实第二类导体（离子导体）：离子的移动实现导电。现导电。熔融电解质，固体电解质，电解质溶液等熔融电解质，固体电解质，电解质溶液等再说说什么是导体及其分类离子导体离子导体(Ionic Conductor)电解质水溶液电解质水溶液固态电解质固态电解质离子晶体高分子聚合物 固体电解质固体电解质：在电场作用下，由于离子移动而具有导在电场作用下，由于离子移动而具有导电性的固体物质。电性的固体物质。在某些温度下具有高的电导率在某些温度下具有高的

3、电导率(110-6 Scm）,故又称为故又称为快离子导体快离子导体。然后对电解质进行重新定义：对电解质，现代化学的发展无论在广度还是在深度上都达到了从未有过的程度，如何充实和修正原有的电解质定义已是迫在眉睫的任务。当前中学教材(大学教材)和工具书中电解质的定义仍局限于液体电解质范畴，为此，我们建议应将电解质定义为：“在溶液中，熔融态或固态时具有显著离子导电性能的物质。”以便在新编教材和当前中学教学中有所反映和能够引起同行的重视。燃料电池燃料电池 美国加利福尼亚的燃料电池发电厂燃料电池的种类燃料电池的种类 直接甲醇燃料电池 氢氧燃料电池 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 一 直接甲醇燃料电池

4、 直接甲醇燃料电池简称DMFC。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。图为世界最小的甲醇燃料电池。直接甲醇燃料电池 最小的甲醇燃料电池 日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原因在于使用了有

5、机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点这种燃料电池以甲醇为能量来源。这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。二 氢氧燃料电池在酸性溶液中负极：H2+2H2O-2e2H3O+（8-1）在碱性溶液中负极：H2+2OH-2e2H2O（8-3）因此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢氧燃料电池的总反应可表示为：2H2+O2-H2O这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃料，而氧则是一种氧化剂。所以

6、，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，而正极上进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极”，它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称作“氧化剂电极”，燃料电池中常用的氧化剂是空气中的氧。在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2 所具有的化学能转变成了电能。再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能2H2O2H

7、2O2）与氢氧燃料电池技术（2H2O2H2O电能）相结合，氢氧燃料电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”，起到蓄能作用。三三 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、NH3、H2S等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。其工作原理如图所示：熔融碳酸盐燃料电池（一）工作原理 阴极：O2+2CO2+4e-

8、2CO32-阳极：2H2+2CO32-2CO2+2H2O+4e总反应：O2 2H2 2H2O由电极反应反应可知，MCFC的导电离子为CO32-。在阴极，二氧化碳为反应物，在阳极，二氧化碳为产物。固体电解质分类(1)阳离子固体电解质阳离子固体电解质中，阳离子作为载流子占绝对优势。(2)阴离子固体电解质阴离子固体电解质中，阴离子作为载流子占绝对优势。(3)混合型固体电解质混合型固体电解质中，阴离子和阳离子都具有不可忽视的导电性，固体氧化物燃料电池原理图和一般燃料电池一样，固体氧化物燃料电池也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成,但工作温度相对较高，一般在8001000。在阳极一侧持续通入燃料气，例

9、如H2、CH4、煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体例如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。固体氧化物燃料电池是一种新型全固体燃料电池，具有以下优点：使用全固体组件，不存在对漏液、腐蚀管理问题；可以用天然气作燃料，通过内部或外部重整利用石化燃料，有利于环境保护；不需要使用贵金属催化剂，从而节约了贵金属；余

10、热温度较高，可以直接利用；可忽略正负极极化损失，极化损失集中在电解质电阻上;电解质的性能较稳定，抗毒性较好；连续供给燃料、氧化物，电池就可连续发电。我国硅酸盐固体氧化物燃料电我国硅酸盐固体氧化物燃料电池取得突破池取得突破 目前各类燃料电池中能量转化效率最高的“陶瓷电池”，竟是一枚约1毫米薄、巴掌大小的陶瓷片。从中科院上海硅酸盐研究所获悉，该所固体氧化物燃料电池小组在国内率先取得突破进展，有能力将300片“陶瓷电池”层叠串联，功率可满足一户普通家庭用电需求。一块仅10厘米见方的陶瓷电池单片。其关键夹层是一片以氧化锆为主要成分的特种陶瓷，厚度为0.015毫米，比纸还薄。陶瓷薄膜正面涂有黑色的稀土金

11、属复合氧化物，作为正极；反面是一层较厚的绿色“金属陶瓷”，作为负极。燃料电池燃料电池电子设备应用应用随着电子产品小型化的进展，当前锂离子电池的能量密度，已经不能满足便携式笔记本电脑、移动电话、PDA等电子设备的要求了。例如：一台新型的P4笔记本电脑平均功耗在100W左右，若工作10h则需1kWh，用7.4Wh的锂离子聚合物电池供电需140块，重量可达56kg；高性能的CPU要求400A/s的转换速率和100A以上的峰值电流，到2005年，此值将分别达到1000A/s和150A；当移动电话增加接收地面数字电视功能，采用大型真彩显示屏时，其供电量可增加到现在的（通常为700mAh）34倍，达2Ah

12、以上。这一切都对微电子产品的供电系统提出了新的挑战。燃料电池燃料电池电子设备 新的水燃料电池将是世界上最小的具备2瓦输出能力的电池。这种电池利用DoCoMo公司的recharger技术和Aquafairy公司的薄膜技术将水中的氢分离出来，而放电时氢也发生化学反应重新变成水。同样尺寸的水燃料电池所能提供的电能是甲醇燃料电池的8倍，也就是说水燃料电池完全可以做得非常小以适应手机的尺寸。与锂离子电池相比，水燃料电池的充电时间相当，容量则大上数倍，因此手机的待机时间也可以延长至数星期乃至一两个月，通话时间也可以不再用小时计算。燃料电池燃料电池电子设备应用应用东芝近年来，在各种展会上都会展出其设计研发的

13、笔记本燃料电池，新型燃料电池采用甲醇作为燃料，通过化学反映产生电能，与采用锂电池的东芝公司自己生产的笔记本电脑相比，50CC的甲醇可以连续使用5小时，超过锂电池两倍以上。燃料电池的另一个好处时只需填充燃料，而不必像锂电池那样再次充燃料电池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧气的化学反映产生电能，排出物就是水，属于无公害能源。东芝的燃料电池采用甲醇与氧气直接产生化学反映的“直接反映甲醇”。东芝展示的燃料电池供电的笔记东芝展示的燃料电池供电的笔记本样机本样机 燃料电池燃料电池电子设备 日前，韩国的第一大化日前，韩国的第一大化工公司工公司LGLG化工已成功研化工已成功研制出可持续使用制出可持续使用1010小时

14、小时的笔记本燃料电池。的笔记本燃料电池。LGLG电子对外揭开了未来在电子对外揭开了未来在笔记本上使用的甲醇燃笔记本上使用的甲醇燃料电池的神秘面纱，并料电池的神秘面纱，并宣布在今年的后半旬将宣布在今年的后半旬将全面商业化大规模生产，全面商业化大规模生产，该燃料电池总体上比较该燃料电池总体上比较便于携带。便于携带。燃料电池燃料电池电子设备 日立终于在近期开发出如AA电池一般大小的燃料电池内藏50立方厘米的甲醇，能让普通的PDA产品坚持使用6-8个小时。而据说日立正在开发能让甲醇浓缩的技术，到时候电池将会有更长的使用时间。燃料电池在汽车上燃料电池在汽车上应用应用布什：美国要戒布什：美国要戒“石油瘾石

15、油瘾”在加在加州力推氢能源汽车州力推氢能源汽车 美国总统布什日在加利福尼亚州首府发表讲话，呼吁国人改变习惯，尽快从传统的汽车转换到更清洁的氢能源汽车。布什在当天在参观“加州燃料电池伙伴计划”时他说，如今原油价格飞涨，迫使消费者为汽油付出高价，损害了美国经济竞争力，加重了环境污染，也使美国更严重地依赖外国石油资源供应，因此美国必须改变“对石油上瘾”的现状。从年开始，美国在年内拨款亿美元资助氢燃料电池的研究，迄今已取得一定成果。本田的氢动力车FCX 本田的氢动力车已经在美国加利福尼亚州获准上市。燃料电池在汽车上应用燃料电池在汽车上应用上海神力科技有限公司上海神力科技有限公司120KW第三代燃料电池

16、大第三代燃料电池大巴发动机和车巴发动机和车上海神力科技有限公司承担上海神力科技有限公司承担了国家了国家863计划计划“燃料电池燃料电池发动机发动机”项目项目神力公司燃料电池车神力公司燃料电池车 神力公司燃料电池发动机所采用的技术路线，不同于国际知名的大公司如加拿大巴拉德公司(Ballard Power Systems)、美国通用汽车公司(GM)等的高压运行技术，自主开发了常压运行的燃料电池技术，系统更为简单，安全性、可靠性高，且拥有自主知识产权，已申请中国、美国专利102项。自2002年起，神力公司为清华大学的燃料电池大巴研制了三代(第一代50kw，第二代60kw，第三代100kw)发动机。净

17、输出功率 100KW 最大稳定输出功率 120KW 峰值输出功率 150KW 电压 300-480V(可以根据用户要求调整)电流 0-400A 能量转化效率 45%-52%燃料 存储方式 高压铝内胆、碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐 燃料类型 气态氢 操作环境环境温度 0-50 相对湿度 0-95%工作温度 60-80 工作压力 常压 物理特性长宽高 1040mm680mm690mm*2 重量 560kg(不包括驱动电机)噪声 76dB 120KW第三代燃料电池大巴发动机第三代燃料电池大巴发动机结语 燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源，但它与天气有关，受气候的制约；核能利用又存在安全问题；唯有燃料电池供电，它没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使全球气候变暖问题，它解决了火力发电使全球环境污染的问题，它是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有所作为，跟上全球技术发展的步伐。