燃料电池课件

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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。

导率和经济性。
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燃料电池的分类
一、燃料电池的分类
1、按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
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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。
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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。 2H 2 4OH 4H 2O 4e 负极反应： O 2 H O 4 e 4 OH 2 正极反应： 2 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，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应 生成碳酸钾，降低电池的性能。
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Βιβλιοθήκη 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。
燃料电池的基本原理

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。

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。

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燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和 外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
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图10－8 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
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2．1．2 AFC的优点是： ①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； ②因为是碱性介质，可以用非铂催化剂； ③ 因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板 做双极板。 2．1.3 AFC的缺点是： ①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。 ②电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。
图10－3 燃料电池的基本单元
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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：
H 2 2H 2e
（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，生成水反应式为：
1 2 H 2e O2 H 2 O 2
（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：
2H 2 O2 2H 2 O
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。
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燃料电池中的催化作用

燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中 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。 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