2013燃料电池的分类及应用

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2.3.3磷酸燃料电池应用 PAFC作为一种中低温型（工作温度180-210℃）燃料电池， 适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气 压运转容易操作、安全性优良、部分负荷特性好等特点，而 且还可以热水形式回收大部分热量。。 PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量 在100MW以上，可以作为中等规模热电厂。
三、燃料电池的发展史 1、1839年，英国Grove所进行的电解作用实验——使用电将水 分解成氢和氧——是人们后来称之为燃料电池的第一个装置。 2、燃料电池史早期的重要进展是由1932年剑桥大学的Francis Thomas Bacon博士完成的。主要改进如下： (1) 廉价的镍网代替铂电极 (2) 碱性的氢氧化钾代替硫酸，减少腐蚀。 Bacon将这种装置叫做Bacon电池，它实际上是第一个碱 性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC)。 1959年，Bacon制造出第一台能真正工作的5 kW燃料电池。上 述发展为现代燃料电池的商业化奠定了基础。 3、质子交换膜电池 20世纪60年代初期，美国国家航空和宇宙航行局（NASA） 为寻求无人航天飞行提供动力的方法。1955年，通用电器公司 （GE）的Willard Thomas Grubb改进了燃料电池设计，使用 磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，和Leonard Niedrach一起发明了膜电极的方法，从而制造出现在质子交换 膜燃料电池。
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2.2 质子交换膜燃料电池 (Proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC） 质子交换膜燃料电池是由阳极、阴极和质子交换膜压制而 成，阳极负载Pt、Pd催化剂发生氢氧化，阴极负载Pt/C催化剂， 发生氧还原反应，质子交换膜作为电解质。电极反应如下：

2.3 磷酸燃料电池
（PHOSPHORIC ACID FUEL CELL, PAFC） 2.3.1 磷酸燃料电池工作原理 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(150～220℃)燃料电池。它具有电解质稳定、 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。 电极反应如下： 阳极反应：H2-2e- →2H+ 阴极反应：1/2O2+ 2H+ + 2e- → H2O 总反应： H2+1/2O2 → H2O
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2.5固体氧燃料电池
(SOLID OXIDE FUEL CELL，简称SOFC)
它使用氧化钇稳定的氧化锆为固态电解质，在中高温 下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全 固态化学发电装置，属于第三代燃料电池的一种。目前被 普遍认为是PEMFC相当的一种燃料电池。工作温度8001000℃之间。电极反应： 阳极反应：H2 + O2- → H2O + 2eCO + O2- → CO2 + 2e阴极反应: O2 + 4 e- → 2 O2 燃料电池在工作过程中定向促使氧离子从阴极移动到 阳极氧化燃料气体（H2/CO）产生电能。阳极生成的电子 通过外部电路移动返回到阴极上，从而完成循环。

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该燃料电池可以承受CO的污染，无需燃料的外部重整制氢， 因而还可以直接使用石油或天然气，甚至硫污染燃料。由于它 们使用高温型固态电解质，因而相应的高温耐热材料及其制造 成本比较昂贵。
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2.5.3特点 SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池，简称PAFC)、第 二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC)相比它有如下 优点： ①较高的电流密度和功率密度； ②阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降； ③可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵 金属作催化剂； ④避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀 及封接问题； ⑤能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用 率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统； ⑥广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构； ⑦陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电池的 反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了 设备。 28
第四节
燃料电池
燃料电池：是继水力、火力和核能发电后新的高 效发电技术，它是不经过燃烧直接将燃料和氧化
剂的化学能转变为电能的发电装置。
燃料电池起源——格罗夫气体电池
1839年，格罗夫教授在采用
Pt电极演示水的电解实验过 程中，发现吸附了H2和O2的 Pt电极可以释放出电能，当 时称之为气体伏打电池，后 来称之为格罗夫燃料电池。
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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。

2 H 2 4OH 4 H 2 O 4e 负极反应： O2 2 H 2 O 4e 4OH
正极反应：
工作温度大约80℃，启动快，生产成本低，但其电流 密度仅为质子交换膜燃料电池的密度10-20%，在汽车中使 用显得相当笨拙，可用于小型的固定发电装置。 碱性燃料电池对氢气中的CO和其它杂质也非常敏感， 主要是催化剂中毒和电解液碳酸化，降低电池的性能。
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质子交换膜燃料电池的应用 质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，经过 多年的基础研究与应用开发，在汽车动力的研究方面 已取得实质性进展。另外微型质子交换膜燃料电池便 携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产 品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统 的研究也取得了一定成果。
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燃料电池的基本组成和结构 阳极、阴极、电解质和外电路
图1-3 燃料电池的基本结构原理
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燃料电池中的基本问题（氢氧电极催化作用）

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
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不同燃料类型的燃料电池及其原理

1，氢燃料电池； 2，甲烷燃料电池； 3，甲醇燃料电池； 4，乙醇燃料电池



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3.1. 氢燃料电池 3.1.1 氢燃料电池工作原理
H 2 2 H 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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PEMFC结构示意图
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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。
图10－19 膜电极结构示意图
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电堆的核心是MEA组件和双极板。

MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电 极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交 换膜，在一定温度和压力下模压制成。 双极板常用石墨板材料制作，具有高强度，不易变形，导 电导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚 度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流 体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。
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2.4熔融碳酸燃料电池（MCFC）
采用融化的碳酸盐（锂钾钠或者混合盐）电解质。当温度加热到 650℃时，混合碳酸盐开始溶化，产生游离的碳酸根离子。氢气和碳酸 根离子反应生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到 阴极，在这过程中发电。阴极氧气和二氧化碳得到电子，再形成碳酸 根离子。其发电效率很高，但材料耐氧化性要求也高。 阳极：H2+CO32- - 2e-→ H2O + CO2 阴极：CO2 + 1/2 O2 + 2e- → CO32-
阳极(负极)：2H2-2e = 2H+ 阴极(正极)：1/2O2+4e+4H+ = H2O

由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质 子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。每 一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取 决于输出电流密度，通常在0.5～0.8 V 之间。 将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需 要的燃料电池堆(简称电堆)。

导率和经济性。
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燃料电池的特点
1.燃料来源广泛，可以供给来实现不间断发电。
2.高效清洁，无SOx、NOx排放，安全方便。
3.能量转换效率高，不受卡诺循环的限制。
理论转化率为：
G H 1 - TS H
理论能量转换效率达80~90%，由于可能从环境吸收能量， 转换效率可以>100%，但因有正负极极化、浓差极化、电解质 欧姆降等，转换效率下降，但仍显著高于内燃机。

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图1－8 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
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1.2 AFC的优点 ① 氧气转换效率高； ② 可以用非铂催化剂； ③ 可以采用镍板做双极板。 1.3 AFC的缺点 ①碱性电解液容易形成K2CO3、Na2CO3沉淀，严 重影响电池性能。 ②电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。
现代燃料电池的分类
1. 按电解质的特性不同 1.1 碱性燃料电池（AFC） 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 1.3 磷酸燃料电池（PAFC） 1.4 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 1.5 固体氧化物燃料电池（SOFC） 2. 按燃料类型分类 2.1 氢燃料电池 2.2 甲烷燃料电池 2.3 甲醇燃料电池 2.4 乙醇燃料电池

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燃料电池基本组成： 电极：多孔电极技术，电极可由具有催化活性的材料 组成，也可只作为电化学反应载体和反应电流的半导 体
电解质：水溶液、固体电解质或熔融盐
燃料：气体（氢气、甲烷、一氧化碳）、液体（甲醇 等）、固体（金属来自百度文库金属氢化物） 氧化剂：纯氧、空气、过氧化氢或卤素等
燃料电池的工作原理
（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：

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2.2.2 质子交换膜燃料电池优点如下： (1) 发电过程不受卡诺循环的限制，能量转换率高； (2) 发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时 也没有噪音。 (3) 燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作 方便等。 被认为是电动汽车、固定发电站等的首选能源。 2.2.3 主要缺点如下： (1)制作困难、成本高，全氟物质的合成困难，成本高； (2)对温度和含水量要求高 Nafion膜的最佳工作温度为70～90℃，阻碍了通过适当提 高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题； (3)对甲醇和乙醇的渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池 (DMFC)的质子交换膜。
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优点是该电池可以采用内部重整的天然气和石油来 生成氢。由于工作温度高，可以采用廉价的金属镍代 替铂，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这 种燃料电池的效率最高可达60%，加上其产生的热量， 综合效率可高达80%。 缺点是该电池需要较长的时间加热才能达到工作 温度，不能用于交通运输和分散型家庭发电。 目前的示范电池可产生高达2 MW的电力，50-100 MW容量的电力设计业已提到议事日程。
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电池单体的开路电压为1V，一般设计工作电压为0.6 0.7 V。实际使用上根据输出的需要，把数十个以至数百个 电池单体串并联而成为电池组合体(stack)。
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2.3.2磷酸燃料电池特点 (1) 排气清洁，发电效率高，燃料不经过燃烧过程直接发电， 没有NOX和SOX。 (2) 噪音低，振动小，没有旋转机械的发电方式。