燃料电池第四章概要

甲醇等重 整气，煤 气
整气
气
天然气，甲 醇等
重整气
发电效率 45～50 40～45 50～65 55～70 30～40
优点
启动快；对CO2 不 空气做氧 空气做氧 室温常 敏感；成 化剂、天 化剂、天
压下工 本相对较 然气或甲 然气或甲
作
低
烷做燃料 烷做燃料
空气做氧化 剂；固体电 解质；室温 工作；启动 迅速
H2/O2质子交换膜燃料电池
直接甲醇燃料电池（DMFC）
五种燃料电池特点
种 类 AFC PAFC MCFC SOFC
PEMFC
LiCO3, 电解质 KOH H3PO4 K2CO3 电
ZrO2+Y2 离子交换膜
O3
（特别是阳离
子交换膜）
解 工作温 低于 190～ 600～700 约1000 质 度范围 260 210
有机物-氧 有机物-氧 CO-氧 石油 碳水化 充电再生
合物
氮化物-氧 氨-氧
甲醇 尿素 光化学再生
金属-氧 氢-卤素
乙醇 煤
放射化学再 生
金属-卤素
氨
燃料电池分类
碱性燃料电池（AFC）
燃
磷酸燃料电池（PAFC）
料
电
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
池
固体氧化物燃料电池（SOFC）
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
为提高反应速率，电极
一般采用多孔材料．各
种燃料电池的材料也都
有各自的特点．
燃料电池的基本反应
4.1.3 燃料电池(Fuel Cell)与电池（Battery)的区别
（1）相同点：将化学能转变为电能的装置
（2）不同点：燃料电池是能量转换装置 电池是能量储存装置。
一次电池：化学能储存在电池物质中, 当电池放电电时,电池 物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕，电池 就再也发不出电了．所以原电池所发出的最大电能等于参与 电化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能．
电
料电池
池
直接碳燃料电池(DCFC)
4.1.6 燃料电池的特性
高效率
可靠性高
特
优点
良好的环境效应
性
存在
良好的操作性能
问题
灵活性高
燃料来源广泛
发展潜力大
(1) 高效率
在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能, 而是直接发电, 不受卡诺热机效率的限制。理 论上讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化 为可利用的电和热，实际效率可望在80%以 上 。这样的高效率是史无前例的。
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：
2H
2e
1 2
O2
H2O
（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：
2H2 O2 2H2O
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。
严格地讲，燃料电池是电化学能量发 生器，是以化学反应发电；一次电池是电 化学能量生产装置，可一次性将化学能转 变成电能；二次电池是电化学能量的储存 装置，可将化学反应能与电能可逆转换。
4.1.4 燃料电池的工作原理
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：
特
殊
燃
再生燃料电池(RFC)
料
电
池
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料以氢电为池基(础D的M利FC)
特
用可再生能源的
殊
闭合循环发电系 统
燃
再生燃料电池(RFC)
料
电
池 直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC)
特
殊
燃 料
唯一使用固 再生燃料电池(RF体C)燃料的燃
燃料电池
介绍内容
4.1，燃料电池介绍 4.2，质子交换膜燃料电池材料 4.3，直接醇类燃料电池材料 4.4，磷酸型燃料电池材料
4.1.燃料电池介绍
4.1.1 简介
(1)什么是燃料电池？ 简单地说，燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一
种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能 的电化学装置。
燃料电池分类
燃 料 工作 电 温度 池
低温燃料电池 高温燃料电池
AFC
PEMFC PAFC MCFC
SOFC
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC)
特
殊
燃
再生燃料电池(RFC)
料
电பைடு நூலகம்
池 直接碳燃料电池(DCFC)
燃料是液态的
几种特殊类型的燃料甲速醇，电，商池发业展潜迅力
大
直接甲醇燃料电池(DMFC)
4.1.5 燃料电池的类型和各类型的特点
燃料电池的种类很多，分类方法也 有多种。下页表中的分类方式概括了所 有类型的燃料电池。
燃料电池分类
直接型
间接型
再生型
低温(200℃) 中温 （200～ 750℃)
高温 重整型 生化型 （产物再生
(750℃)
为反应物）
氢-氧
氢-氧
氢-氧 天然气 葡萄糖 热再生
作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、 水电和核电之后的第四种发电方式．与火力发电相 比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程是直 接方式．
热能
动能
传统技术
化学能
燃料电池
电能
燃料电池直接发电与传统间接发电的比较
4.1.2 燃料电池的构造
阴极
燃料电池
阳极
电解质
典型的燃料电池的构造如右下图所示．在阳极（负极） 上连续吹充气态燃料，如氢气．在阴极（正极）上连续 吹充氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连续 发生电化学反应，并产生电流．由于电极上发生的反应 大多为多相界面反应，
五种燃料电池特点
种类 AFC
PAFC MCFC SOFC
可应 航天，特 特殊需求，区域供电，区域供电 用领 殊地面， 区域供电 联合发电 域 广泛
PEMFC
电汽车，潜 艇，可移动 动力源
缺点
需以纯氧 对CO敏 工作温度
做氧化剂；感；
较高
成本高 启动慢； 成本高
工作温度过 高
对CO非常 敏感；
反应物需要 加湿
二次电池：利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进行， 再生成电化学反应物质．从能量角度看，就是将外部能量充 给电池，使其再发电，实现反复使用的功能．
燃料电池：从理论上讲, 只要不断向其供给燃料(阳极反应物 质，如H2), 及氧化剂(阴极反应物质，如O2)，就可以连续不断 地发电,因而其容量是无限的. 实际上，由于元件老化和故障 等原因，燃料电池有一定的寿命．
约85
腐蚀性 中 强 强
无
无
氧化剂 极板材料
纯氧 镍
石墨
空气
镍， 不锈钢
陶瓷
石墨，金属
五种燃料电池特点
种 类 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC
催化剂 镍/ 铂系 阳/阴极 银系
镍/氧化 镍LaMnO3 铂系
镍
或LaCoO3
电解 燃 料 纯氢
天然气， 天然气， 天然气，
轻质油， 甲醇等重 甲醇，煤