燃料电池备课讲稿课件.pptx

1、 燃料电池的基本介绍、原理及应用演讲人：燃料电池发展历史产生发展工作原理分类碱性燃料电池固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料磷酸盐燃料电池质子交换膜燃料电池直接甲醇燃料电池应用现状及前景主要内容燃料电池的诞生及发展燃料电池的定义：燃料电池的名称是由L.Mond和C.Langer两位化学家首先提出的，它是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。一、燃料电池发展重要事件燃料电池的起源追溯到19世纪初，瑞典科学家Schonbein教授于1838年首先发现了燃料电池的化学效应，接着英国的Grove爵士于1839年发明了“气体电池”。Grove的实验

2、设想来源于水的电解实验，他设想将电解实验逆转过来，然氢、氧反应就可以产生电流，左图即为验证的实验装置。第一个实用的燃料电池装置1889年，L.Mond和C.Langer两位化学家首先提出“燃料电池”一词。后来又尝试用空气与工业煤气分别取代氧气与氢气，从而制造出了世界上第一个实用的燃料电池装置。一个重要的改良1932年，剑桥大学的培根博士A.Schmid所提出的多孔结构的气体扩散电极概念而开发出双孔电极，并将Mond和Longer所发明的装置加以改良。最终在1959年真正制造出了一台5kW的燃料电池。为现代燃料电池的商业化奠定了基础。年份年份开发情况开发情况1838C.F.Schonbein发现

3、燃料电池原理1839William R.Grove发明燃料电池（当时称“气体电池”）1889L.Mond和C.Langer将“气体电池”正名为“燃料电池”1902Reid提出碱性燃料电池1923Schmid提出气体扩散电极概念1932Heise开发出以蜡为疏水剂的疏水电极1959Bacon开发出可以工作的6kW碱性燃料电池Allis-chalmers公司开发出碱性燃料电池农用拖拉机1960GE公司，Grubb和Niedrach开发出Grubb-Niedrach燃料电池1962GE公司，Gemini Space Mission应用高分子电解质燃料电池于双子星太空任务燃料电池发展年鉴年份年份发展情

4、况发展情况1965应用Teflon（聚四氟乙烯树脂）于疏水气体扩散电极P&W公司，Apollo Space Mission应用碱性燃料电池于阿波罗太空任务1972杜邦公司开发出Nafion质子交换膜19671976惠普公司主导“目标”的磷酸燃料电池开发项目19811992“月光计划”中日本首度执行燃料电池开发计划1992JPL首度将Nafion膜应用于直接甲醇燃料电池1993加拿大巴德拉公司推出质子交换膜燃料电池电动汽车1998CaFCP（加州燃料电池伙伴联盟）成立2002丰田、本田一出租方式正式推出燃料电池乘客车美国政府推出“自由车”燃料电池电动车发展计划2003美国政府推出“自由燃料”氢能

5、发展计划中国研究开发进展p中科院大连物理化学研究所中科院大连物理化学研究所牵头在全国展开了质子交换膜燃料电池 的材料和电池系统的研究，并组装了多台各种功率（125千瓦）的 电池组和电池系统。成功研制100千瓦燃料电池发动机。国内首个管型中温固体氧化物燃料电池堆。在燃料电池核心部件膜电极三合一制造技术研究领域取得新突破，开发了常压质子交换膜燃料电池发动机，技术性能达国际先进水平。承担的中科院知识创新工程重大项目“大功率燃料电池氢源技术”取 得重大进展，75千瓦级大功率甲醇转化制氢燃料电池氢源系统成功 运行，使其在该领域的技术研发持续保持国内领先地位并处于国际前沿。p“超越”燃料电池汽车2003年

6、8月，装载第一代燃料电池发动机的“超越一号”问世，也是 国内首台燃料电池轿车。2004年5月，“超越二号”完成，性能比一代大幅提升。2006年6月，“超越三号”获国家电动汽车重大科技专项支持，并 在“比比登清洁能源汽车大赛”中获得两项第一。p“楚天一号”武汉理工大学与东风汽车公司联手研发的25kW氢燃料电池作为动力 的新型轿车。“楚天一号”的燃料电池发动机具有功率高、响应速 度快、输出功率强的特点，最高时速超过100公里，其体积接近于传 统发动机，完全适于安装在轿车前舱。该车具有完全独立的自主知识 产权，其整车达到国内先进水平，与国际水平同步。p美国20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电

7、池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只有内燃机的5%。国外的发展情况p欧洲在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的De No公司处于领先水平。德国

8、奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。p日本在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC)，1992年又开发了比功率高、工作温度低

9、、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂，该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中，90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。富士电机已提供了70多座电站，现场寿命超过10万小时。p加拿大(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，为运输车研制了88kM的

10、PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。燃料电池的工作原理及构造p氧化还原反应在一些化学反应中，会发生电子的转移，失电子的物质被称作 还原剂，得电子的物质被称作氧化剂。ACuZn还原剂：Zn氧化剂：H2SO4正极负极p燃料电池的原理总反应方程式：H2+1/2 O2=H2Op燃料电池的构造燃料氧化剂电解质阴极阳极p 工作原理首先应使燃

11、料离子化，以便进行电极反应。由于大部分的燃料为有机化合物且为气体，这就要求电极具有催化剂的特性也就是“电催化”作用)，并且为多孔质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子授受反应的进行。三相区：发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区。这种多孔电极称为气体扩散电极或三相电极。p燃料电池与传统电池相同点：都是将活性物质的化学能转化为电能。不同点：燃料电池本身不存储活性物质（反应物），而只是一个 催化转换元件。形象的说它是一个能量转换装置。燃料电池传统电池p燃料电池与传统热机传统热机发电：燃料电池发电燃料电池的特点p效率高：燃料电池的发电方式，是按照电化学的原理，直接

12、等温地将化学能转变成电能，它与柴油一汽油发电机近似，但它不是热机，没有燃烧过程、不受卡诺循环的限制、转换次数少、效率高。根据热力学第二定律，热机最多只能将(T2 T1)/T2 倍的燃烧热能转变成机械功，即T2 高温热源温度T1 低温热源温度 燃料电池最高效率：燃料电池实际效率：燃料电池产生的电能燃料电池化学反应所释放的全部能量F 法拉第常数，F=96484.56C/mol 理想电池电压 对比以上两种效率可知 燃料电池的效率主要取决于单体电池的电压，而与发电量无关，也不 受卡诺循环的限制。大部分内燃机的能量转化效率在18%24%，在没 有利用余热的情况下，燃料电池的效率可达 45%一65%，它的

13、整体电热 联产效率可达90%以上。然而由于各种极化的限制，目前正在工作中的 燃料电池的实际电能转换效率在40%一60%之间，热电联产效率可达80%。这个效率与其他任何型式的发电技术相比，平均单位质量燃料所能产生 的电能(除了核能发电以外)是最高的。p噪声低：当前普遍采用的传统发电技术中，包括火力发电、水力发电、核能发电等，其主要发电装置是大型涡轮机，涡轮机是一种结构复杂的大型高速旋转机械，在旋转过程中会产生非常大的噪声。与此相反，燃料电池的结构简单，没有旋转机件，理论上可以实现“零噪声”地将燃料的化学能转变成电能。但实际上，由于其外围设备如泵类及冷却风机的存在，井不能实现零噪声运转，仍然有一些

14、噪声存在，但比较小。实验证明，距离40kw磷酸燃料电池发电设备4.6m处的噪声值为60dB，而4.5MW和11MW的大功率燃料电池发电设备的噪声值低于55dBp 占地面积小、建造时间短:由于燃料电池发电厂没有常规火力发电厂那样复杂的锅炉、汽轮发电机等庞大的成套设备，用水量也很少，所以使占地面积和工程量大大减少，再加上电池组件化(如4.5MW的试验装置由460个电池组件组成)，设计、制造、组装都十分方便，建设周期短，扩建也容易，可以完全根据实际需要分期筹建。对于容量为几百千瓦的燃料电池发电站而言则更加容易。日本最大燃料电池p 污染小:燃料电池以氢气为主要燃料，它清洁、无污染，而且不会产生二氧化碳

15、温室效应气体。当采用化石燃料如煤、石油、天然气等作燃料时，要经过重整反应来提炼出富氢燃料作为燃料电池的燃料，而在重整改质过程中虽然也会产生一些污染物和二氧化碳，但比热机过程要减少40%以上，可以有效地减缓地球的温室效应与大气污染，其次，由于燃料电池所用的燃料气体在反应前必须脱硫，而且燃料电池的电化学反应发电不经过燃烧，所以它不冒烟，几乎不排放SOX与NOX、，也减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的排放产物只是纯水。p所用燃料广泛:全球正在以非常快的速度耗尽几十亿年来大自然所储存的能源与资源。如煤、石油等化石燃料及天然气等，这些都是非再生能源，用完后是无法再补充的。而核能的安全性又

16、受质疑，太阳能的能量密度又低，是否能够取代现有的能源使用方式，还是个问号。对于燃料电池而言，只要是含有氢原子的物质(例如天然气、石油、煤炭等汽化产物，或是沼气、酒精、甲醇等)，都可以作为燃料使用。因此，燃料电池非常符合能源多元化，可以减缓主流能源的耗竭。p用途广：燃料电池的发电容量由单体电池的功率与数目来决定，无论发电规模大小均能保持较高的发电效率。因此，它的机组大小与发电规模具有弹性。日前发展中的燃料电池所能提供的电力范围在1W1000MW之间，因此可应用的产品也非常多，包括便携式电力、车辆电力、现场型汽电共生电厂、分散型电以及集中型电厂等。燃料电池的分类质子交换膜电 池碱性燃料电池熔融碳酸

17、盐燃料电池磷酸燃料电池直接甲醇型燃料电池固体氧化物燃料电池燃料电池（FC）AFCPAFCSOFCDMFCMCFCPEMFC燃料电池类燃料电池类型型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质KOH溶液磷酸碳酸锂/碳酸钠(ZrO2)1-x(Y2O3)x质子交换膜阳极PtPt/CNi/CrNi/YSZPt/C阴极PtPt/CNi/NiOSr/LaMnO3Pt/C工作温度60100160200600700700100060120不同类型燃料电池的主要技术参数p碱性燃料电池（AFC）碱性燃料电池是以氢氧化钾溶液为电解质的燃料电池，是最早被 研发并成功应用的燃料电池。实用型的碱性燃料电池由培根在20

18、世纪30年代研制成功的。碱性燃料电池在较高温度和压力下可得 较高效率，在室温和常压下，能量转换效率可达70%，高于其他 燃料电池。阳极反应：阴极反应：总反应：p磷酸燃料电池(PAFC)磷酸燃料电池是以磷酸为电解质。一般以富含氢气并含有二氧化 碳的重整气为燃料，以空气为氧化剂。但对一氧化碳敏感，当空 气中的一氧化碳浓度超过1%时，就会引起电池性能急剧下降。为 保证快速的化学反应，PAFC的工作温度要维持在200。适用于居 民区供电，发电效率为40%50%。阳极反应：阴极反应：总反应：p质子交换膜燃料电池（PEMFC）PEMFC以固态膜作电解质，目前常用的是全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜。质子交

19、换膜燃料电池的氧化剂为氧气，燃料最常见的是氢气，其次是甲醇。按照燃料及其氧化反应过程的不同，质子交换膜燃料电池目前主要包括三种类型：氢质子交换膜燃料电池、甲烷重整燃料电池、直接甲醇燃料电池各类质子交换膜燃料电池在电池结构上有很多相似之处。以氢质子交换膜燃料电池为例。其单电池主要由阴极、阳极、质子交换膜、阴极极板、阳极极板和外电路等部分构成，如图：质子交换膜燃料电池结构示意图2221()2HOH O OverallElectricity)(2122)(22222CathodeOHOeHAnodeeHHp固体氧化物燃料电池（SOFC）SOFC采用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）为固体电解质，与其他电

20、解质不同，这种电解质不允许电子和氢离子（质子）通过，只允许 带负点的氧离子自用通过。氧离子由阴极运动到阳极，与氢发生反 应生成水。总反应：阳极反应：阴极反应：p熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）MCFC通常采用含碱金属的碳酸盐为电解质，正常工作温度650此时电解质成熔融状态，可保证电子在阴阳两极间的传递。由于工作温度高，因而熔融碳酸盐燃料电池可以对天然气、煤炭气化燃料进行内部重整，重整反应需要的热量由电池反应产生的余热提供。阳极反应：阴极反应：总反应：p直接甲醇型燃料电池（DMFC）目前的DMFC分为液态进料直接甲醇型燃料电池和气态进料直接甲醇型燃料电池两种。DMFC的结构与PEMFC类似，通人阴

21、极极板流道中的物质为氧气或空气(参与阴极电极反应的物质为氧气)。在液态进料直接甲醇燃料电池中，通入阳极极板流道中的物质一般是甲醇的水溶液；在气态进料直接甲醇燃料电池中，通入阳极极板流道中的物质一般是甲醇和水的蒸气。在直接甲醇燃料电池中，整个电池反应的最终产物为二氧化碳和水。阳极反应：阴极反应：总反应：燃料电池堆以氢氧燃料电池为例，其单电池的工作电压常在0.60.7V，这是一个最佳的电压范围，在此范围内，燃料电池的输出功率接近它的最大值，而且电效率基本合适，在实际应用中所需要的电压往往高于一单电池的工作电压，为了满足实际需要的高电压，通常将多个单电池串联起来，通常是几伏特到儿百伏特，构成一个电池

22、堆口电池堆的电围是此压为各个单电池电压的总和。p双极板燃料电池的串联是通过“双极板”来实现的。双极板的一侧是某一单电 池的阳极，另一侧是相邻单电池的阴极（一板两极，故称双极板）。利 用若干个双极板把每一个单电池的阳极一电解质一阴极”的三明治 结构(膜电极组件)堆叠起来，两端各加一个端板分别作为阳极和阴极板，就形成了一个电池堆。p双极板担负多项任务:输送反应气体，两侧加工有不同形式的气体通道（流场），以确保反 应气体均匀分布于整个电极中。收集电流，因此要求双极板必须是良导体。隔离燃料与氧化剂，要求不能透气。散热，将反映热散发出去并保证电池堆的温度均匀。耐腐蚀，双极板的工作环境多是酸碱。燃料电池的

23、应用p与传统的矿物燃料相比，燃料电池的高效和低排放量使其对用户具 有极大的吸引力。此外，燃料电池技术的独立性对于那些电网不能 覆盖，或电网不够稳定而需要备用电力设备的地区而言，这种能源 具有特殊的意义。p鉴于有些燃料电池的工作温度可低达80，它们可安装在私人家庭、小型的商业活动场所，甚至满足大型企业活动的所有能源需求。可 以说截至目前，现在的燃料电池生产商的注意力均集中于非居民的 应用。当前唯一提供商业化燃料电池的国际燃料电池公司已在学校、办公室和银行设施安装了200多个磷酸燃料电池装置。另外，诸如熔 融碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池等高温燃料电池也正在开 始试用于大型的工业设施和兆瓦级的

24、发电厂。p燃料电池的应用领域燃料电池由于具有节能、高效、洁净、功率密度 高及模块化结构等突出的特点，决定了它在很多方面有着广阔的应用 前景1.固定电站和分散式电站燃料电池电站具有效率高、噪声小、污染少、占地面积小等优点，有可能是未来最主要的发电技术之一。从长远来看，有可能对改变现有的能源结构、能源的战略储备和国家安全等具有重要意义。燃料电池既可用于大型集中式发电站，又可用于分布式电站。大型集中式电站，以高温燃料电池为主体，可建立煤炭气化和燃料电池的大型复合能源系统，实现煤化工和热、电、冷联产。中小型分布式电站，可以灵活的布置在城市、农村、企事业单位甚至居民小区，也可以安装在缺乏电力供应的偏远地

25、区和沙漠地区，磷酸盐型和高温型燃料电池都是可能的选择。2.交通运输上的应用使用燃料电池的车辆不会或者极少排出污染物，解决了常规汽车的尾气污染问题，而且还没有机械噪音。只要燃料供应充足，车辆行驶的里程是可以不受限制的。所以燃料电池车的发展前途光明。目前普遍认为，质子交换膜燃料电池(特别是直接甲醇燃料电池)，由于具有优越的起动特性和环保特性，而且供料支持系统简单，作为车载燃料电池，最有希望在将来取代内燃机。3.仪器和通信设备电源手机、数码相机和摄像机、笔记本电脑等电子产品的主要难题就是电源问题，电源寿命短，且电池供电的维持时间也短。燃料电池正好可以克服这一缺陷。便携式燃料电池以碱性燃料电池和质子交

26、换膜燃料电池为主，其关键技术是氢燃料的储存和携带。东芝推出的燃料电池4.军事上的应用军事应用也是燃料电池最为适合的主要市场。效率高，类型多，使用时间长，工作无噪声，这些特点都非常符合军事装备对电源的需求。从战场上移动手提装备的电源到海陆运输的动力，都可以由特定型号的燃料电池来提供。自20世纪80年代以来，美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。现在空间站上使用的燃料电池即是氢氧燃料电池。德国燃料电池潜艇据统计，北美2003年大规模应用燃料电池市场价值约为2.51亿美元，此后5年内年增长率为20.7%，2007年将达到6.42亿美元。目前全球现有1000多家公司从事燃料电池的

27、研究和经营业务。迄今为止，约有280座PAFC（磷酸盐燃料电池）机组、42座MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）电池组、18座SOFC（固体氧化物燃料电池）电池组已被安装测试，最大容量已达11兆瓦。现状及发展前景国际能源界预测，本世纪氢能将得到广泛应用，而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池将是继水力、火力、核能之后的第4代发电装置及替代内燃机的动.力装置。燃料电池作为能源利用的新技术，具备高效、洁净等优点，已成为当今世界能源领域的开发热点。据统计，2005年全球拥有50万个固定的(静止式)燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池；同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车

28、生产量的1。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。据估计，全球燃料电池市场到2011年将达到350亿美元，2013年将达380亿美元。静止式燃料电池市场将从2008年20亿美元增大到2013年100亿美元，便携式燃料电池市场2013年将达250亿美元，汽车燃料电池市场将从2008年6亿美元增大到2013年100亿美元。现在燃料电池的发展速度非常之快。项目项目1998年年2003年年2008年年2013年年燃料电池总消费540123035507500各种应用所占比例%9.68.931.061.3工业应用5211011004600发电27627302250军用/航空航天212

29、245170汽车31760290便携式电子设备极少41301140其他15135750美国对燃料电池的需求及预测/百万美元燃料电池的成本p据美国有关部门资料统计，当建设费用达到每瓦3美元时(1994年已达到)，燃料电池便可进入市场；当降到2美元左右时，便能在边远地区作为独立发电的电力系统；当降到1美元左右时，市场将迅猛扩大。p丰田公司称目前生产的燃料电池堆成本约为500美元/kW；Ballard公司预测当每年生产量为50万台时成本将是140美元/kW。燃料电池存在的一些问题p长期运行使电极劣化、电压下降燃料电池的电解质和催化剂根据燃料电池形式的不同而不同，但对于固体高分子型燃料电池而言，由于催化反应发生在纳米级大小的电极催化剂的微小三相界面的纤细结构上，因此容易发生劣化。经长时间运行，白金催化剂粒子的融合会导致反应比表面积减少、电解质膜劣化、担当催化剂的碳材料腐蚀等现象发生。因气体处于欠运转状态、在启动停止时模块被置于高电位状态下、气体被加速以及CO中毒等众多原因，所以必须考虑电极的构成材料、电极的制造方法及运行控制的方法等