燃料电池及其发展介绍(91张)PPT

9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
EE0 RTln aH2O
nF
1
P P2 H2 O2
温度系数
E S T P nF
压力系数
E lg
p
T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
1 TS H
电池实际效率 TVC
电压效率
V
V E
电流效率（法拉第效率） C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸
（poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源
直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料
- 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
三、FC系统 （Fuel cell systems)
天然气 甲醇 重油 蒸馏油 生物质
……
空气或纯氧
燃料预处理单 元
富氢 气体 燃料电池单元
直流 直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。
甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 2. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
➢ 低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）]
➢ 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好
气体扩散电极的基本特点:
极限电流密度百度文库全浸没式电极大为增加
jd
nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
1）常规电池 -储能装置
2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%）
燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%）
电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
固态氧化物燃料电池（SOFC） 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。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。
不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
燃料电池低噪声
3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。 四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
一、 燃料电池极化行为
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
燃料电池及其发展
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries