燃料电池种类工作原理及结构ppt
燃料电池讲解:PPT课件
ห้องสมุดไป่ตู้ 二、
一、制作氢氧燃料电池的设想
燃料电池是一种新型的化学电源, 是现在最引人注目的能源装置之一,是 高中化学教材新增添的学习内容。但教 材没有安排燃料电池的演示实验和学生 实验。因此我们就想自己研制燃料电池。 我们首先查阅了大量的有关燃料电池的 资料,做了大量的实验,通过不断改进, 最终研制出了一种不需用贵重金属的简 易氢氧燃料电池。
正 极
燃料电池由正极、 负极和离子导电的电 解质构成,其工作原 理与普通电化学电池 类似,燃料在负极氧 化,氧化剂在正极还 原,电子从负极通过 负载流向正极构成电 回路,产生电流。
四、氢氧燃料电池的工作原理
A
2e
-
2e
-
氢气
H+
H+
OH OH -
氧气
H2O 负极 正极
五、氢氧燃料电池的装置
石墨电极均为普通1号干电池的碳棒, 电 解槽为化学实验室盛装石蕊试纸的塑料盒。
二、燃料电池的定义
燃料电池是一种能够持续的 通过发生在正极和负极的氧化还 原反应将化学能转化为电能的能 量转换装置。燃料电池与常规电 池的区别在于,它工作时需要连 续不断地向电池内输入燃料和氧 化剂,只要持续供应,燃料电池 就会不断提供电能。
三、燃料电池的工作原理
燃料 导电离子 氧化剂
负 极 电 解 质
电子钟
(+)O2+ 4e- + 4H+= 2H2O
可走数十 分钟
(-)2H2-4e- + 4OH- = 4H2O
电解槽
Na2SO4 溶液
石墨电极
七、氢氧燃料电池带动小电器
电池中附有氧气的碳棒为正极,附有氧 气的碳棒为正极。
PEMFC——燃料电池课件.
由图可知,构成 PEMFC 的关键材料与部件 为电催化剂、电极 ( 阴极与阳极 ) 、质子交换 膜和双极板。
PEMFC 中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应: 阳极反应: H 2 2H 2e 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极,氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质,而是通过 电极随反应尾气排出。
2.电池组: 电池组的主体为MEA,双极板及相应 可兼作电流导出 板,为电池组的正极;另一端为阳单极板,也可兼作 电流导入板,为电池组的负极,与这两块导流板相邻 的是电池组端板,也称为夹板。在它上面除布有反应 气与冷却液进出通道外,周围还布置有一定数目的圆 孔,在组装电池时,圆孔内穿入螺杆,给电池组施加 一定的组装力。 若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作, 还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘 板。
质子交换膜燃料电池
1 工作原理
质 子 交 换 膜 型 燃 料 电 池 (Proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以全氟磺酸型固体 聚合物为电解质,铂 / 炭或铂 - 钌 / 炭为电催化剂, 氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂, 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为 双极板。 下图为PEMFC的工作原理示意图。
流场结够对 PEMFC 电池组至关重要,而且与反应 气纯度、电池系统的流程密切相关。 因此,在设计电池组结构时,需根据具体条件,如 反应气纯度、流程设计(如有无尾气回流,如有, 回流比是多少等)进行化工设计,各项参数均要达 到设计要求,并经单电池实验验证可行后方可确定。
电池组密封: 要求是按照设计的密封结构,在电池组组装力的 作用下,达到反应气、冷却液不外漏,燃料、氧 化剂和冷却液不互窜。
燃料电池工作原理、分类及组成_图文
磷酸 (PAFC)
电解质
KOH
含氟质子交换膜
H3PO4
阳极
Pt/C
Pt/C
Pt/C
阴极
C(含觸煤)
流动离 子
操作温 度 可用 燃料
特性
OH-
室温~100℃
精炼氢气 电解副产氢气 1.需使用高纯度氢
气做燃料 2.低腐蚀性及低温
较易选择材料
Pt/C
H+
室温~80℃
天然气、甲醇 汽油
1.功率密度高, 体积小,重量轻 2.低腐蚀性及低溫 ,较易选择材料
当采用甲醇水溶液作燃料时,DMFC的核心部件MEA阳 极侧是浸入甲醇水溶液中的,加之在DMFC工作时, 又有C02的析出;而阴极侧,排水量也远大于电化学 反应生成水,不管是气化蒸发以气态排出,还是靠 毛细力渗透到扩散层外部被气体吹扫以液态排水, 均会对电极与膜之间结合界面产生一定分离作用力。
因此,在制备DMFC的MEA时,与PEMPC的MEA相比,要改 进结构与工艺,增加MEA的电极与膜之间的结合力,防 止MEA在电池长时间工作时膜与电极分离、增加欧姆极 化,大幅度降低电池性能,严重时导致电池失效。
根据电池工作温度不同,AFC系统可分为中温型与 低温型两种。
前者以培根中温燃料电池为代表,它由英国培根 (F.T.Bacon)研制,工作温度约为523K,阿波罗 登月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
低 温 型 APC 系 统 的 工 作 温 度 低 于 373K , 是 现 在 AFC系统研究与开发的重点。
因此与PEMFC相比,DMFC阴极侧不但排水负荷增 大,而且阴极被水掩的情况更严重,在设计DMFC 阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这一因素。
正因为如此,在至今评价DMFC时,阴极氧化剂(如 空气中氧)的利用率均很低,其目的是增加阴极流 场内氧化剂的流动线速度,以利于向催化层的传质 和水的排出,但这势必增加DMFC电池系统的内耗, 这是研究高效大功率DMFC电池系统时必须解决的 技术问题。
燃料电池简介PPT课件
燃料
高纯H2
H2
H2
H2-CO CH4
H2-CO CH4
氧化剂
高纯O2
空气
空气
空气+CO2
空气
电解质
KOH
H3PO4 质子交换膜 (K,Li)2CO3 Y2O3,ZrO2
阳极催化剂
Pt
阴极催化剂
Pt
Pt
Pt
Pt
Pt
CHENLI
Ni
Ni, ZrO2
NiO
La-SrMnO2
6
燃料电池的分类
按燃料电池所用原始燃料的类型,可大致 分为
CHENLI
3
燃料电池的基负极和夹在正负极中间的电解质板所组 成。工作时向负极供给燃料(氢),向正极供给氧化剂(空气)。氢在负极 分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中,而电子则沿外部电路移向 正极。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形 成水。
采用200℃高温下的磷酸作为其电解质
熔融碳酸盐型燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)
采用熔融态碳酸盐作为其电解质
固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)
采用固态电解质
固体聚合物燃料电池(Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又称为质子交换膜 燃料电池,Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)
氢燃料电池
通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动 力的零排放概念车“氢动一号”,该车加速快,操 作灵活,从0~100km/h加速仅16秒,最高时速可达 140km/h,续驰里程400km。
《燃料电池》课件
这是《燃料电池》PPT课件,通过本课件,你将了解燃料电池的定义、工作原 理、构成、应用以及未来发展和趋势。让我们一起探索这个令人兴奋的领域 吧!
什么是燃料电池
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接 转化为电能的装置,通过电化 学反应实现电能的产生。
燃料电池的工作原理
燃料电池通过氧化还原反应将 燃料(如氢气)和氧气在电解 质中进行电化学反应,产生电 能。
燃料电池的优缺点
燃料电池具有高效能源转化、环 保、低噪音等优点,但成本和氢 气供应等问题仍需解决。
燃料电池的应用
1
燃料电池在交通运输领域的应用
燃料电池汽车逐渐成为替代传统燃油汽车的绿色交通选择,减少尾气排放。
2
燃料电池在能源领域的应用
燃料电池可以作为一种清洁的能源来源,在无电网的地区提供电力供应。
3
燃料电池在军事领域的应用
燃料电池系统可以为军事设备提供可靠的能源支持,降低依赖传统燃油的风险。
燃料电池的未来发展与趋势
燃料电池技术的发展历程
燃料电池技术经过多年的研发和改 进,取得了巨大继续朝着高效、便携、 可再生能源和可持续发展的方向发 展。
燃料电池未来的应用前景
燃料电池有望在交通运输、能源供 应等领域发挥更大的作用,推动可 持续发展。
感谢阅读
通过本《燃料电池》PPT课件,希望您对燃料电池有了更深入的了解。谢谢!
燃料电池种类介绍
常见的燃料电池类型有聚合物 电解质燃料电池(PEMFC)、 固体氧化物燃料电池(SOFC) 等。
燃料电池的构成
燃料电池的主要组成 部分
燃料电池由氢气供应系统、氧气 供应系统、电解质、电极和电流 收集系统等组成。
燃料电池课件
燃料电池课件燃料电池课件燃料电池是一种利用氢气和氧气反应产生电能的装置。
它具有高效能、无污染和低噪音等优点,因此在能源领域备受关注。
本文将介绍燃料电池的基本原理、分类、应用以及未来发展方向。
一、基本原理燃料电池的基本原理是利用氢气和氧气的氧化还原反应来产生电能。
在燃料电池中,氢气通过阳极(负极)进入电解质层,而氧气通过阴极(正极)进入电解质层。
在电解质层中,氢气发生氧化反应,产生电子和氢离子。
电子通过外部电路流动,形成电流,而氢离子则通过电解质层流动,进入阴极。
在阴极上,氢离子与氧气发生还原反应,生成水。
整个过程中,产生的电能可以用来驱动电动设备。
二、分类燃料电池根据不同的电解质材料和工作温度可以分为若干种类型。
常见的燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)等。
不同类型的燃料电池在工作原理、材料选择和适用场景等方面存在差异。
例如,PEMFC适用于低温环境,具有响应速度快、体积小的特点,常用于汽车和便携式设备;而SOFC适用于高温环境,具有高效能和长寿命的特点,常用于工业领域。
三、应用燃料电池在各个领域具有广泛的应用前景。
在交通领域,燃料电池可以用作汽车的动力源,取代传统的燃油发动机,实现零排放。
目前,许多汽车制造商已经推出了燃料电池汽车,并在市场上取得了一定的成功。
在能源领域,燃料电池可以用于家庭和商业建筑的电力供应,解决能源短缺和环境污染问题。
此外,燃料电池还可以用于便携式设备、航空航天等领域,为各种应用提供可靠的电源。
四、未来发展方向尽管燃料电池在能源转型中扮演着重要角色,但仍面临一些挑战和限制。
首先,燃料电池的成本较高,制约了其大规模应用。
其次,氢气的生产、存储和输送仍存在技术难题,需要进一步研究和改进。
此外,燃料电池的寿命和稳定性也需要提高,以满足实际应用的需求。
未来,燃料电池的发展方向主要包括降低成本、提高效率、延长寿命和改善氢气供应链等方面。
燃料电池PPT课件
PEM:质子交换膜燃料电池; SOFC:固体氧化物燃料电池; AFC:碱性燃料电池;
DMFC:直接甲醇燃料电池; MCFC:熔融碳酸盐型燃料电池; PAFC:磷酸盐型燃料电池
• 燃料电池是一个电化学系统,由三个主要
部分组成
• 燃料电池的工作原理 • 燃料电池能量转化 • 燃料电池的类型
纪秀磊,话说能源[J].说说燃料电池,2011(11).
PEMFC能用于商业化汽车
• 能源储备、过度开采,环境问题将得到缓解。 • 燃料电池技术因具备低污染、高能源转换效率的
特性,更能满足人类高效、环保的需求。 • 具有更高的能源密度。紧急备用发电机、住宅用
热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、 太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、 PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、 电动辅助/代步车等
跟不合理操作条件。
氢燃料的制备、储存及运输等使 FCV难以实现产业化。
结语
• 油价飙升、电价太贵,燃料电池成为未来 家庭能源供应相对便宜的选择,也是目前 最令人满意的解决方案。在固定电站、电 动车、军用特种电源、可移动电源等方面 都有广阔的应用前景。
• 高效、洁净的燃料电池必将在未来的高效、 清洁发电技术中占有一席之地。但是,资 金、技术、观念、基础设施上还有许多需 要克服的困难。
制约PEMFC商业化的主要因素
• 成本高 • 寿命短 • 燃料问题
轿车用燃料电池发动机 要求燃料电池堆具有 3000~5000h的运行寿 命。
公共汽车燃料电池发动 机要求燃料电池堆具有 20000h以上的运行寿 命
电极
载铂量过高(目前 国际研究最新进展,
电极铂载量: 0.02mg/cm2)
燃料电池(课件)
得失电子数目的求算
燃料分子失电子的数目,可根据整体化合价变化情况 进行求算,也可以直接根据分子所含的原子数目进行 计算。1mol的CxHyOz失去电子的数目为4x+y- 2z(碳四氢一氧减二)。我们可以计算,每个C₃H₈失电 子数为4×3+1×8=20,每个C₂H₅OH分子失电子数 为4×2+1×6-2=12。
电解质为固体电解质 (如固体氧化锆—氧 化钇)O2+4e-=2O2-。
燃料电池负极反应式的书写
产物判断规则
一般来说,负极反应物一般为燃料,常常含有碳元素和 氢元素,有时也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液) 下,负极燃料失电子,C元素变为+4价,转化为CO₂; H元素转化为H⁺,氧元素结合H⁺转化为水。在碱性溶 液(如氢氧化钠溶液)下,负极燃料失电子,C元素转化 为碳酸根离子,+1价的氢元素不能在碱性条件下以离 子形态稳定存在,结合OHˉ生成水,氧元素变成氢氧根 离子或者水。
谢谢
燃料电池
基础知识
燃料电池(Fuel cell),是一种不经过燃烧,将燃料化学能经过电化学反 应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样,都是自 发的化学反应,不会发出火焰,其化学能可以直接转化为电能,且废物排 放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同
基础知识
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性 的惰性金属,两电极的材料相同。 燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极 ,可燃物在该电极上发生氧化反应;通入空气或氧气的一极为正极,氧 气在该电极上发生还原反应。
量为1mol,在标准状况下为22.4L,D错误;【答案】C
真题突破
(2019·全国高考真题)利用生物燃料电池原理研究室温下氨 的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意 图如下所示。下列说法错误的是
燃料电池简介ppt课件
2023-10-27
目录
• 燃料电池概述 • 燃料电池的特点 • 燃料电池的应用场景 • 燃料电池的发展现状与趋势 • 燃料电池的未来挑战与机遇 • 总结与展望
01
燃料电池概述
燃料电池的定义
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。
它由正负极、电解质和外部电路组成,通过反应将燃料和氧化剂中的化学能转化 为电能。
要点一
固定电源
燃料电池可以作为一种可靠的固定电源,为家庭、商业 和工业用途提供电力。它们可以在断电或电力故障时提 供电力,并具有更高的能源效率和更低的维护成本。
要点二
分布式能源
燃料电池也可以作为一种分布式能源,为社区提供电力 。例如,一些城市已经开始使用燃料电池作为其分布式 能源的一部分,以减少对传统电网的依赖。
03
未来,燃料电池将成为一种重 要的能源转换方式,为人类的 生产生活提供更加清洁、高效 的能源解决方案。
05
燃料电池的未来挑战与机遇
技术挑战
01
02
03
材料问题
燃料电池的电解质、电 极和膜等关键材料仍需改 进,以提高其性能和稳定 性。
催化剂问题
在燃料电池中,催化剂 是促进反应的重要元素, 但目前催化剂的性能仍需 提升。
高效环保
总结词
燃料电池是一种高效和环保的能源转换技术。
详细描述
燃料电池通过将氢气和氧气结合产生电能和水蒸气,这个过程不会产生任何有害的排放物。此外,由于其高效 能量转换,燃料电池可以减少能源浪费,提高能源利用效率。
快速充电
总结词
燃料电池可以在短时间内完成充电。
详细描述
与传统的电池技术相比,燃料电池的充电速度更快。这是因为燃料电池的能量密度高,并且可以连续 供电,而不需要长时间的充电过程。
燃料电池工作原理、分类及组成-图文精选全文
在五六十年代,阱-空气燃料电池曾作为军用电源大力开发。
这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、价格昂贵。而 且,这种电池系统需要大量辅助设备,这不仅需要消耗电 池所产生功率中的相当大一部分,而且在电池正常工作前 必须启动这些辅助设备。
因此,尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他燃料 要大得多,但阱电池在商业上似乎不大可能有重要用途。
因此与PEMFC相比,在DMFC阳极结构与作燃料时,由于阳极室充满了液 态水,DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的 水饱和状态下。
但与PEMFC不同的是,当DMFC工作时不管是电迁 移还是浓差扩散,水均是由阳极侧迁移至阴极侧, 即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC,阴极需排出远 大于电化学反应生成的水。
其应用目标是便携式电源及交通工具用动力电 源。
在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用 户的有效途径之一。
因为液体燃料储运方便,易处置。曾经考虑用作 AFC系统的液体燃料有阱(N2H4)、液氨、甲醇和 烃类。
由于AFC系统通常以KOH溶液作为电解质,KOH与某 些燃料可能产生的化学反应使得AFC几乎不能使用 液体燃料。
PAFC结构
PAFC系统
AFC
碱性燃料电池
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似,但其使用的电 解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应:
阳极: 2H 4OH 4H2O 4e 阴极: O2 2H2O 4e 4OH
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快,但其电力密度 却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得笨拙。 不过,它们是燃料电池中生产成本最低的,因此可用于小型的固定发 电装置。
隔膜材料
• PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜, 它由SiC和聚四氟乙烯组成,写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜 有直径极小的微孔,可兼顾分离效果和电解质传输。
燃料电池讲解通用课件
04
燃料电池汽车将成为未来交通 出行的重要选择之一,具有零 排放、高效、节能等优点。
燃料电池将成为分布式发电和 储能的重要技术之一,具有环
保、灵活、高效等优点。
燃料电池在航空、航海等领域 也将得到广泛应用,如用于无
人机、船舶等。
燃料电池的技术挑战与瓶颈
01
技术挑战
02
提高燃料电池的能量密度和功率密度需要解决材料科学、制造
燃料电池的特点
高效率、低排放、低噪音、快速充电、可靠运行、方便维护等。
燃料电池的应用领域
域
作为电动汽车、船舶、航空器 的动力源,可实现零排放、高
效率的运行。
电力领域
作为电站、备用电源等,可满 足不同场合的用电需求。
工业领域
作为工业用电源,为生产设备 提供稳定可靠的电力保障。
军事领域
实际效率
由于实际运行中存在各种 损失,如反应不完全、热 能散失等,实际效率通常 略低于理论极限值。
提高效率的方法
优化催化剂设计、降低操 作温度、提高反应气体纯 度等措施可以提高燃料电 池的能量转换效率。
燃料电池的发电特点与优势
可再生能源
高效率
燃料电池使用的氢气和氧气可以由可再生 能源如太阳能、风能等提供,因此燃料电 池是一种可再生能源发电技术。
电池壳是燃料电池的外部结构,它能够保护电池不受外界 环境的影响。
燃料电池的制造设备主要包括搅拌器、涂布机、组装设备 和测试设备等。
燃料电池的使用与维护方法
使用燃料电池时,需要确保其工作在合适的温度和压力下,并定期检查其性能和安 全性。
维护燃料电池时,需要定期更换反应介质和电极材料,并保持电池壳的清洁和完好 。
工作原理:燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。在燃料电池中,燃料(如氢气)被送到阳极,氧化 剂(如氧气)被送到阴极。阳极和阴极之间通过电解质隔开。当燃料和氧化剂在阳极和阴极上反应时 ,电子从阳极通过外部电路流向阴极,从而产生电流。
燃料电池的工作原理PPT培训课件
• 碱性燃料电池的特点
• (1) AFC具有较高的效率(50%~55%);
• (2) 工作温度大约80℃,启动很快,但其电力密度却比质子交换 膜燃料电池的密度低十几倍;
• (3) 性能可靠,可用非贵金属作催化剂;
• (4) 是燃料电池中生产成本最低的一种电池;
• (5) 是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,用于交通工具,具有一定的发展和应用 前景;
• (6) 使用具有腐蚀性的液态电解质,具有一定的危险性和容易造 成环境污染。
1. 质子交换膜燃料电池的基本结构
1)质子交换膜:兼有隔膜和电解质的作用,且是选择 通过性膜,只允许H+穿过,其他粒子、气体及液体不 能通过。 2)电催化剂:气体扩散电极上都有一定量的催化剂, 有铂系和非铂系两类。
3)电极:多孔扩散电极,由扩散层和催化层构成。
•熔融碳酸盐燃料电池的工作原理 •燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。
式中,a、c分别表示阳极、 阴极; e—表示电子; E0—表示基本发电量; Q0—表尔基本放热量。
•熔融碳酸盐燃料电池的特点
•MCFC是一种高温电池(600~700℃),具有效率较高(高于 40%)、噪音低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气 和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多 优点,是未来的绿色电站。
• 磷酸燃料电池的结构 • PAFC的电池片由基材及肋
条板触媒层所组成的燃料 极、保持磷酸的电解质层、 与燃料极具有相同构造的 空气极构成。
• 磷酸燃料电池的工作原理
• PAEC使用液体磷酸为电解质,通常位于碳化硅基质中。当以氢气为 燃料,氧气为氧化剂时,在电池内发生电化学反应。
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• 2.极反应
• 阳极反应 • 电池反应 O2+4e-→2O2-
2O2-+2H2 →H2O+4e2H2+O2 →2H2O
SOFC的工作原理
SOFC的结构
SOFC的结构
• 谢谢!
燃料电池
*** 车辆0902 **********
燃料电池的概述
• 燃料电池(full Cell)是一种将持续供给的燃料和 氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的 电化学装置。 • 燃料电池在原理和结构上和普通电池(battery) 完全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之 外,只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电, 因而容量是无限的。而电池的容量是有限的,活 性物质一旦消耗完,电池的寿命就终止。
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。
图10-3 燃料电池的基本单元
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 2.1碱性燃料电池(AFC) 2.3磷酸燃料电池(PAFC) 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 2.2质子交换膜燃料电池(PEMFC) 2.5固体氧化物燃料电池(SOFC)
PAFC的工作原理
阴极反应: 阳极: ++2eH2→2H 1/2O2+2H++2e-→H O 2 CH4 +2H O→4H +CO 2 2 2 阳极反应: CH3OH+H2O →3H 2+CO 2 + -
H2→2H +2e 阴极反应: 1/2O2+2H++2e- →H2O 总反应 1/2O2+2H2 →H2O
MCFC 的工作原理
• MCFC的阴极反应: O2+2CO2+4e-→2CO32• 阳极反应: 2H2+2CO32- →2CO2+2H2O+4e• 电池反应: O2+2H2 →2H2O
MCFC 的工作原理
MCFC的结构
2.4质子交换膜燃料电池(PEMFC)
• 2.4.1质子交换膜燃料电池简介 • 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,英文简称PEMFC)是一种燃料电池,在原理 上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴 极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所, 阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化 学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相 当于一直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正 极。
燃料电池的组成
• 燃料电池是一个复杂的系统,由燃料和氧化剂供 给系统,水管理系统,热管理系统以及控制系统 等几个子系统组成。
燃料电池工作原理
• 燃料电池含有阳阴两个电极,分别充满电解液,而两个电 极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给 燃料,氧气(或空气)由阴极进入电池。 • 电池经由催化剂的作用,使得阳极的氢原子分解成氢质子 (proton)与电子(electron),其中质子进入电解液中, 被氧“吸引”到薄膜的另一边,电子经由外电路形成电流 后,到达阴极。在阴极催化剂之作用下,氢质子、氧及电 子,发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程, 因此水是燃料电池唯一的排放物。 • 利用这个原理,燃料电池便可在工作时源源不断地向外部 输电,为一种 "发电机"。
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
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
燃料电池的种类
燃料电池 碱性燃料 磷酸型燃 质子交换 熔融碳酸 固体氧化 • 碱性燃料电池( AFC )( alkaline fuel cell) 膜燃料电 盐燃料电 物燃料电 类型 电池 料电池 • 磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid池 fuel 池 池
阳极反应: 2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应: O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应: O2+2H2 →2H2O
图10-8 碱性燃料电池的结构(自由电解质型)
2.2 磷酸燃料电池(PAFC)
• PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重 整天然气作燃料,空气作氧化剂,浸有浓磷酸的SiC 微孔 膜作电解质 , Pt/C 作催化剂 ,工作温度 200℃ 。 • 磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)是以 浓磷酸为电解质,以贵金属催化的气体扩散电极为正、负 电极的中温型燃料电池。可以在150~220℃工作。具有 电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易 被CO毒化等优点,是一种接近商品化的民用燃料电池。 • PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。
图10-19 膜电极结构示意图
PEMFC的结构
• 2.5.1固体氧化物燃料电池简介 • 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称 SOFC)属于第三代燃料电池,是一种在中高温下直接 将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地 转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在 未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛 普及应用的一种燃料电池。采用的是固态电解质(钻 石氧化物),性能很好。他们需要采用相应的材料和 过程处理技术,因为电池的工作温度约为1000℃。固 态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池 的温度还要高,它们使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆 等固态陶瓷电解质,而不用使用液体电解质。其工作 温度位于800-1000℃之间。 • 在这种燃料电池中,当氧离子从阴极移动到阳极氧化 燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)使便产生 能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极 上,减少进入的氧,从而完成循环。
效率
使用温度
60%~90%
60~120
37%~42% 43%~58%
160~220 60~120
50%~
600~1000
50%~65%
600~1000
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。 • 工作原理 • 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质, 阳极反应:2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应:O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应:O2+2H2 →2H2O • 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敏感。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。
cell) 英文简称
电解质
AFC
PAFC
PEMFC
MCFC
SOFC
• 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) (molten carbonate 氢氧化钾 质子渗透 固体氧化 磷酸 碳酸钾 fuel cell) 溶液 膜 物 天然气, 氢、甲醇、 天然气、 天然气、 燃料 纯氢 • 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) (proton exchange 煤气、沼 煤气、沼 天然气 membrane fuel 氢 cell) 气 气 • 固体氧化物燃料电池 (SOFC) (solid oxide fuel cell) 氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气
PAFC的结构
• 由多节单电池按压滤 机方式组装构成电池 组。PAFC的工 作温 度一般为 200℃左右 , 能量转化率约在 40%, 为保证电池工作稳定, 必须连续地排除废热。
2.3熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)
• MCFC属高温燃料电池,工作温度是 650~ 700℃。与低 温燃料电池相比,MCFC的本和效率很有竞争力,概括起 来有四大优势: • ① 在工作温度下,MCFC可以进行内部重整燃料,例如在 阳 极反应室进行甲烷的重反应,重整反应到所需热量由 电池反应的余热提供; • ②MCFC的工作温度为650~700℃,其余热可用来压缩反 应气体以提高电池性能,可以用于供暖; • ③燃料重整时产生的CO 可以作为MCFC的燃料,且由于 MCFC为高温燃料电池,不会受到CO的中毒催化剂的威 胁; • ④催化剂为镍合金,不使用贵金属。
PEMFC的工作原理
• • • • • • 阳极反应: H2→2H++2e阴极反应: 1/2O2+2H++2e- →H2O 电池反应: H2+1/2O2 →H2O
PEMFC的电极常被称 为膜电极组件,它是 指质子交换膜和其两 侧各一片多孔气体扩 散电极(涂有催化剂 的多孔碳布)组成的 阴、阳极和电解质的 复合体。