电化学材料ch6燃料电池材料课件.ppt

1、电化学材料电化学材料Electrochemical Materials第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料本章重点：本章重点：掌握掌握燃料电池燃料电池的基本工作原理的基本工作原理、基本性基本性能能和特点和特点 掌握掌握燃料电池的典型类型及特点燃料电池的典型类型及特点 了解了解燃料电池及相关材料的发展动向燃料电池及相关材料的发展动向第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料燃料燃料电池是继水利、火力、核能后的一种新型发电方式电池是继水利、火力、核能后的一种新型发电方式第一节第一节 燃料电池基础燃料电池基础燃料电池（燃料电池（Fuel Cell）：一种敞开体系的）：一种敞开体系的化学能转化为电能的装

2、置。化学能转化为电能的装置。燃料输入燃料输入废气排出废气排出燃料电池燃料电池电能输出电能输出第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 一、一、燃料燃料电池的工作原理电池的工作原理1.组成及反应组成及反应第一节 燃料电池基础(-)燃料燃料|电解质电解质|氧化剂氧化剂(+)负极反应：负极反应：(-)H2|H3PO4|O2(+)正极反应：正极反应：H2 2e 2H+1/2O2 2H+2e H2O电池反应：电池反应：H2 1/2O2 H2O电极电势电极电势表达式：表达式：电池电动势电池电动势E表达式：表达式：第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 一、一、燃料燃料电池的工作原理电池的工作原理第一节 燃料

3、电池基础2.电池的效率电池的效率卡诺热机效率：卡诺热机效率：普通电池普通电池E：燃料电池燃料电池E：1T2/T1高温热源高温热源T1低温热源低温热源T2热机热机Q1Q2WE-G/nFE-H/nF燃料电池的实际效率由许多因素决定燃料电池的实际效率由许多因素决定第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 一、一、燃料燃料电池的工作原理电池的工作原理第一节 燃料电池基础2.电池的效率电池的效率燃料电池的实际效率由许多因素决定燃料电池的实际效率由许多因素决定理论能量转化效率理论能量转化效率 T：电功与燃烧热之比：电功与燃烧热之比电压效率电压效率 V：输出电压与可逆电动势之比：输出电压与可逆电动势之比燃料利

4、用率燃料利用率 C：燃料的反应量与输入量之比：燃料的反应量与输入量之比热值效率热值效率 H：燃料的可利用热效应与总热效应之比：燃料的可利用热效应与总热效应之比第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 一、一、燃料燃料电池的工作原理电池的工作原理第一节 燃料电池基础4.燃料电池的工作电压燃料电池的工作电压一般燃料电池的工作电压为一般燃料电池的工作电压为0.60.8V第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点低温燃料电池低温燃料电池（60120）类型类型碱性燃料电池,AFC质子交换膜或固态聚合物燃料电池PEMFC或SPFC应用应用太空飞行、国防

5、汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂开发的状态开发的状态在太空飞行中的应用家庭电源试验项目、小汽车公共汽车、试验的热电联产电厂特性特性无污染排放电效率高制造费用非常贵不适合于工业应用少维护污染排放在0和很低的水平之间低噪音水平固体电解质适合于大规模生产与常规技术相比很贵电解体电解体氢氧化钾溶液质子可渗透膜燃料燃料纯氢氢，甲醇天然气氧化剂氧化剂纯氧大气中的氧气系统的电效率系统的电效率60-9043-58第一节 燃料电池基础第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料中温燃料电池中温燃料电池(160220)类型类型磷酸型燃料电池,PAFC应用应用热电联产电厂开发的状态开发的状态具

6、有200kW功率的电池在工业中的应用(大约160个电厂)特性特性低污染排放低噪音水平是热电联产电厂的三倍费用随着连续运行电效率降低随着连续运行电效率的减小电解体电解体磷酸燃料燃料天然气，氢氧化剂氧化剂大气中的氧气系统的电效率系统的电效率37-42第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料高温燃科电池高温燃科电池(6001000)类型类型熔融碳酸盐燃料电池MCFC固态氧化物电解质燃料电池SOFC应用应用联合循环热电厂、船、铁路用车电厂、家庭电源传送开发的状态开发的状态容量为280kW至2MW的试验电厂100kW的试验电厂

7、特性特性有效利用能源有效利用能源低噪音水平低噪音水平没有外部气体配置没有外部气体配置腐蚀性电解液腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体电解体锂和碳酸钾陶瓷ZrO2-Y2O3燃料燃料天然气煤气沼气天然气煤气沼气氧化剂氧化剂大气中的氧气大气中的氧气系统的电效率系统的电效率50%50-65%第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料高温燃科电池高温燃科电池(6001000)类型类型熔融碳酸盐燃料电池MCFC固态氧化物电解质燃料电池SOFC应用应用联合循环热电厂、船、铁路用车电厂、家庭电源传送开发的状态开发的状态容量为280k

8、W至2MW的试验电厂100kW的试验电厂特性特性有效利用能源有效利用能源低噪音水平低噪音水平没有外部气体配置没有外部气体配置腐蚀性电解液腐蚀性电解液对材料的要求非常苛刻电解体电解体锂和碳酸钾陶瓷ZrO2-Y2O3燃料燃料天然气煤气沼气天然气煤气沼气氧化剂氧化剂大气中的氧气大气中的氧气系统的电效率系统的电效率50%50-65%第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料2 2、燃料电池系统、燃料电池系统第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点燃料预处理单元燃料预处理单元燃料重整、空气

9、压缩燃料重整、空气压缩燃料电池单元燃料电池单元单电池单电池 发电发电 电池组电池组直流直流/交流变换单元交流变换单元热量管理单元热量管理单元逆变器逆变器另外还包括另外还包括测量与控制测量与控制、水水再生利用再生利用等单元等单元第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料2 2、燃料电池系统、燃料电池系统第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料2 2、燃料电池系统、燃料电池系统第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料3 3、燃料电池特点、燃料电池特

10、点第一节 燃料电池基础二、燃料电池的分类、系统与特点二、燃料电池的分类、系统与特点能量转换效率高能量转换效率高燃料来源广泛燃料来源广泛环保性能好环保性能好负荷响应快负荷响应快占地面积小，建设周期短占地面积小，建设周期短可热电联产可热电联产是继水利、火力、核能后的新发电形式是继水利、火力、核能后的新发电形式第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料污染成分污染成分天然气火力天然气火力发电发电重油火力发重油火力发电电煤火力发电煤火力发电磷酸型燃料磷酸型燃料电池电池SOSO2 22.5-2302.5-23045504550820082000-0.120-0.12NOxNOx180018003200320

11、03200320063-10763-107烃类烃类20-127020-1270135-5000135-500030-10430-10414-10214-102粉尘粉尘0-900-9045-32045-320365-680365-6800-0.140-0.143、燃料电池的特点不同发电场排气的比较不同发电场排气的比较(Kg/10(Kg/106 6KWh)KWh)第一节 燃料电池基础第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第一节 燃料电池基础三、燃料电池的研究方向三、燃料电池的研究方向1 1、燃料、燃料氢气氢气氢替代物氢替代物储氢材料、制备方法储氢材料、制备方法重整、直接利用重整、直接利用直接甲醇燃

12、料电池直接甲醇燃料电池DMFCDirect Methanol Fuel Cell第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料三、燃料电池的研究方向三、燃料电池的研究方向第一节 燃料电池基础1 1、燃料、燃料第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料三、燃料电池的研究方向三、燃料电池的研究方向第一节 燃料电池基础2 2、燃料的商业化方向、燃料的商业化方向交通工具用动力源交通工具用动力源燃料电池电站燃料电池电站便携式电器用电源便携式电器用电源第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 一、碱性一、碱性燃料燃料电池电池第二节第二节 传统燃料电池传统燃料电池碱性燃料电池（碱性燃料电池（Alkaline Fuel C

13、ell，AFC）磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（Phosphorous Acid Fuel cell，PAFC）1.基本原理及特点基本原理及特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料2 2、碱性燃料电池的类型、碱性燃料电池的类型自由电解液型自由电解液型AFCAFC特点：特点：有电解液循有电解液循环系统环系统第二节 传统燃料电池一、碱性燃料电池一、碱性燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料固定电解质型固定电解质型AFCAFC第二节 传统燃料电池2 2、碱性燃料电池的类型、碱性燃料电池的类型一、碱性燃料电池一、碱性燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池2 2、碱性燃

14、料电池的类型、碱性燃料电池的类型一、碱性燃料电池一、碱性燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池3、AFC用电极材料用电极材料一、碱性燃料电池一、碱性燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池3、AFC用电极材料用电极材料一、碱性燃料电池一、碱性燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC1、PAFC的工作的工作 原理及特点原理及特点第二节 传统燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料2、PAFC电池系统结构电池系统结构第二节 传统燃料

15、电池二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料单体槽形隔板型单体槽形隔板型PAFCPAFC第二节 传统燃料电池2、PAFC电池系统结构电池系统结构二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料电池堆电池堆第二节 传统燃料电池2、PAFC电池系统结构电池系统结构二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池2、PAFC电池系统结构电池系统结构二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC磷酸磷酸气体气体第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第二节 传统燃料电池2、PA

16、FC电池系统结构电池系统结构二、磷酸型燃料电池二、磷酸型燃料电池PAFC第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料一、质子交换膜燃料电池(PEMFC)1、PEMFC的工作原理及特点的工作原理及特点(-)H2,Pt/C|PEM|Pt/C,O2(+)质子交换膜（质子交换膜（PEM）是通过离子交换传）是通过离子交换传递质子（递质子（H离子）导电，是离子）导电，是质子导体质子导体，但不，但不是电子导体，是是电子导体，是非电子导体非电子导体。第三节第三节 新型燃料电池新型燃料电池 Proton Exchange Membrane Fuel Cell第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料一、质子交换膜燃料电池

17、1、PEMFC工作原理及特点工作原理及特点PEMFC的工作原理的工作原理第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料关键材料关键材料电极电极质子交换膜质子交换膜催化剂催化剂PEMFC的特点的特点室温下快速启动室温下快速启动无电解液流失无电解液流失水易排出（随尾气）水易排出（随尾气）比功率、比量能高比功率、比量能高寿命长寿命长应用应用移动动力源汽车等移动动力源汽车等家庭动力源热电联动家庭动力源热电联动大型动力源电站大型动力源电站第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料实例第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料电极面积电极面积 16cm16cm2

18、 2重量重量 225g225g尺寸尺寸 8 88 82.4cm2.4cm电压电压 0.30.30.9V0.9V功率功率 0.6W(H0.6W(H2 2/O/O2 2)0.3W(H0.3W(H2 2/空气空气)第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料燃料电池模型车燃料电池模型车功率0.6W 11ml H2 可运行6min第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料上汽股份与通用汽车的清洁能源汽车上汽股份与通用汽车的清洁能源汽车“氢动三号氢动三号”第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料300W/12V、340W/11V 20组电池组电池氢气氢气3

19、.6L/Min3.6L/Min（0.035MPa0.035MPa）第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 2、质子交换膜材料、质子交换膜材料第三节 新型燃料电池隔膜隔膜电解质电解质PEM的的作用作用非电子导体非电子导体离子导体离子导体一、质子交换膜燃料电池对对PEM的的基基本本要要求求离子导电性好离子导电性好 离子迁移速度快，电池内阻小离子迁移速度快，电池内阻小较小的气体扩散系数较小的气体扩散系数 防止防止H2和和O2渗透并直接反应渗透并直接反应水在膜表面易扩散水在膜表面易扩散 防止局部缺液防止局部缺液良好的稳定性良好的稳定性 化学、电化学稳定，不降解化学、电化学稳定，不降

20、解足够高的机械强度足够高的机械强度易与催化剂层结合易与催化剂层结合第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料 2、质子交换膜材料、质子交换膜材料第三节 新型燃料电池全氟磺酸型全氟磺酸型一、质子交换膜燃料电池早期为聚苯乙烯磺酸型早期为聚苯乙烯磺酸型现在主要为全氟现在主要为全氟磺酸型磺酸型代表物：代表物：Dupoud公司的公司的Nafion117Dow化学公司的化学公司的 Dow膜膜第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池2、质子交换膜材料、质子交换膜材料一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料3、催化剂材料、催化剂材料铂黑、碳载铂、铂合金等第三节 新型燃料电池一

21、、质子交换膜燃料电池Pt黑黑 Pt/C10mgcm-2 0.4mgcm-2 碳载体应具备：碳载体应具备：导电性好导电性好耐腐蚀耐腐蚀低杂质低杂质适宜的比表面积适宜的比表面积代表例：代表例：Cabot公司的电炉碳黑公司的电炉碳黑平均粒径平均粒径30nm，比表面，比表面250m2g-1 第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料4 4、膜电极材料、膜电极材料膜电极由催化剂层、整平层、扩散层膜电极由催化剂层、整平层、扩散层组成，扩散层具有集流体、除水、增强的组成，扩散层具有集流体、除水、增强的作用，通常采用作用，通常采用碳纸碳纸第三节 新型燃料电池一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池

22、材料膜电极的三合一组件膜电极的三合一组件正极膜负极正极膜负极热压热压膜电极膜电极第三节 新型燃料电池4 4、膜电极材料、膜电极材料一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料5 5、双极板材料、双极板材料第三节 新型燃料电池一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料6、PEMFC的前景的前景第三节 新型燃料电池一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池6、PEMFC的前景的前景一、质子交换膜燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料发展目标：发展目标：动力源动力

23、源 60250KW，寿命寿命5000小时，小时，-20启动启动其中轿车用动力源其中轿车用动力源为为85KW第三节 新型燃料电池6、PEMFC的前景的前景一、质子交换膜燃料电池解决四大关键技术：解决四大关键技术：质子膜质子膜、碳纤维纸碳纤维纸、电催化剂电催化剂和和双极板双极板第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）1、工作原理及特点、工作原理及特点 熔融碳酸盐为电解熔融碳酸盐为电解质，质，CO32-为导电离为导电离子，工作温度子，工作温度600700。(-)H2|MxCO3|O2(+)第三节 新型燃料电池Molten Carbenate Fuel Cell(-)H

24、2+CO32-2e H2O+CO2(+)1/2O2+CO2+2e CO32-第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）1、工作原理及特点、工作原理及特点第三节 新型燃料电池第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）2、电池材料、电池材料正极正极：多孔烧结纯：多孔烧结纯Ni板，板，Ni/Al合金，合金，Al2O3表面沉积表面沉积Ni负极负极：多孔：多孔NiO，LixNi（1-x）O，LiCoO2等等电解质电解质：Na2CO3，K2CO3，Li2CO3等，一般采用等，一般采用Li2CO3K2CO3二元体系，共晶体系为二

25、元体系，共晶体系为 62%Li2CO3，熔点为，熔点为488隔膜隔膜：早期采用：早期采用MgO，现在用的，现在用的LiAlO2具有很强的抗具有很强的抗碳酸盐腐蚀的能力碳酸盐腐蚀的能力电催化剂电催化剂：阳极早期采用：阳极早期采用Ag、Pt，现在用，现在用Ni-Cr、Ni-Al合金合金 阴极主要用阴极主要用NiO双极板双极板：不锈钢或：不锈钢或Ni基合金基合金第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）3、电池结构、电池结构第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）3、电池结构、电池结构第六章第六章

26、燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池二、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）4、MCFC的前景的前景50KW250KW 内重整内重整兆瓦级电站：兆瓦级电站：4250KW第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）1、工作原理及特点、工作原理及特点固体氧化物为电解质，固体氧化物为电解质，工作温度约为工作温度约为1000，主要，主要为为离子导电离子导电Solid Oxide Fuel Cell(-)H2|MxO|O2(+)(-)H2+O2-2e H2O(+)1/2O2+2e O2-第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧

27、化物燃料电池（SOFC）1、工作原理及特点、工作原理及特点特点特点Solid Oxide Fuel Cell工作温度高，内重整，热电联供工作温度高，内重整，热电联供电流大、电压高电流大、电压高全固相体系，避免了全固相体系，避免了PAFC和和MCFC的腐蚀问题的腐蚀问题燃料范围广燃料范围广第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）1、工作原理及特点、工作原理及特点第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）2、SOFC电池材料电池材料关键材料：电解质隔膜，阴阳极材料关键材料：电解质隔膜，阴阳极材料（

28、1）电解质隔膜）电解质隔膜按载流子按载流子的性质的性质阴离子阴离子型固体电解质，型固体电解质，Y2O3-ZrO2、CaO-ZrO2阳离子阳离子型固体电解质，型固体电解质，Na2O-Al2O3混合型固体电解质，混合型固体电解质，NaCl、Y2O3-CeO2最典型的就是：最典型的就是：Y2O3-ZrO2 读作读作氧化钇稳定氧化锆，氧化钇稳定氧化锆，Yttria-Stabilized-Zirconia记为记为YSZ一般含一般含 4%10%的的 Y2O3，其中含，其中含8%Y2O3的最好的最好最大特点：在很宽的氧分压范围内呈最大特点：在很宽的氧分压范围内呈纯氧离子导电纯氧离子导电，但，但低温导电率较低

29、，适合高温条件低温导电率较低，适合高温条件第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）2、SOFC电池材料电池材料（2）电极材料）电极材料要求要求多孔性多孔性电子导电性电子导电性与固体电解质有良好的相容性与固体电解质有良好的相容性阴极材料：金属阴极材料：金属Pt，现在采用钙钛矿型复合稀土氧化物，现在采用钙钛矿型复合稀土氧化物 LaMO3 MMn、Fe、Co、Cr LaMnO3-LaCoO3，LaMnO3-LaCrO3阳极材料：阳极材料：Ni-YSZ，Co-YSZ 金属陶瓷金属陶瓷 Ni含量一般为含量一般为35%，电子导体，电子导体 Ni含量含量30%时一般是离子导体时一般是离子导体第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）3、SOFC结构结构第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）3、SOFC结构结构第六章第六章 燃料电池材料燃料电池材料第三节 新型燃料电池三、固体氧化物燃料电池（SOFC）3、SOFC结构结构