fuel cells-簡介

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1、5.5Fuelcells1839Grove發(fā)明燃料電池1889Mond和Langer首次采用燃料電池60年代燃料電池成功地用于阿波羅登月飛船燃料電池是一種等溫并直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效(50%～70%)、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,也是一種新型的無污染、無噪音、大規(guī)模、大功率和高效率汽車動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備1燃料電池的工作原理和特點(diǎn)（1）工作原理燃料電池將燃料氧化反應(yīng)所釋放的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能與一般電池不同的是,在燃料電池中燃料及氧化劑(空氣與氧氣)可以連續(xù)不斷地供給電池,反應(yīng)產(chǎn)物可以連續(xù)不斷地從電池排出,同時(shí)

2、連續(xù)不斷地輸出電能和熱能。燃料電池可視為一種特殊的發(fā)電裝置。(-)Re∣electrolyte∣Ox(+)(+)氧化劑氧（空氣），過氧化氫(-)H2肼，烴electrolytes:KOH,H3PO3,membranes不同燃料電池的基本反應(yīng)都是燃燒反應(yīng)e.g.(-)H2∣electrolyte∣O2(+)(-)H22H++2e(+)O2+4H++4e2H2O2H2+O22H2O(2)燃料電池的特點(diǎn)A能量轉(zhuǎn)化效率高在燃料電池中,燃料不是被燃燒變?yōu)闊崮?而是直接發(fā)電,不受卡諾熱機(jī)效率的限制理論上能量轉(zhuǎn)化效率在90%以上,實(shí)際效率

3、可望在80%以上理論轉(zhuǎn)換效率：實(shí)際轉(zhuǎn)換效率B比能量和比功率高封閉體系蓄電池與外界沒有物質(zhì)的交換,比能量不會(huì)隨時(shí)間變化,但是燃料電池由于不斷補(bǔ)充燃料,隨著時(shí)間延長,其輸出能量也越多C污染小D可靠性高電池組合是模塊結(jié)構(gòu),維修方便;處于額定功率以上過載運(yùn)行時(shí),它也能承受而效率變化不大;當(dāng)負(fù)載有變化時(shí),它的響應(yīng)速度也快E適用能力強(qiáng)可以使用多種初級(jí)燃料,包括火力發(fā)電廠不宜使用的低質(zhì)燃料設(shè)備占地面積小,建設(shè)工期短2燃料電池分類按燃料的類型可分為：1）直接型：直接燃料2）間接型：重整燃料（如天然氣、煤等）3）再生型：產(chǎn)物再生為反應(yīng)物直接型

4、和再生型燃料電池類似于一般的一次電池和二次電池按電解質(zhì)的種類可分為堿性氫氧燃料電池(ＡＦＣ)磷酸鹽型燃料電池(ＰＡＦＣ)固體氧化物型燃料電池(ＳＯＦＣ)熔融碳酸鹽型燃料電池(ＭＣＦＣ)聚合物離子膜型燃料電池(ＰＥＭＦＣ)(1)堿性氫氧燃料電池(AFC,Alkalinefuelcell)20世紀(jì)50年代起美國就開始對(duì)堿性燃料電池進(jìn)行研究,并在60年代中期成功地用于Apollo登月飛行優(yōu)點(diǎn)在于除貴金屬外,銀、鎳以及一些金屬氧化物都可以作電極催化劑,它的陰極性能也比酸性體系要好,而且電池的結(jié)構(gòu)材料也較便宜缺點(diǎn)在于對(duì)CO2和N2十分

5、敏感,故不適用于地面。目前ＡＦＣ主要用作短期飛船和航天飛機(jī)的電源(2)PAFC,phosphorousacidfuelcell采用H3PO4液體做電解質(zhì),工作溫度180℃,使用Pt做催化劑特點(diǎn):●發(fā)電效率在35～43%之間,熱電聯(lián)供時(shí)總效率為71～85%●潔凈、對(duì)環(huán)境污染小,振動(dòng)和噪聲污染也很小●滿負(fù)荷運(yùn)行可達(dá)到40000h,電池的輸出電壓的降低不大于10%●裝置緊湊,檢修空間小,維修困難●PAFC電站可以使用各種氣態(tài)或液態(tài)燃料,如天然氣、液化石油氣、甲醇、煤油、沼氣等(3)SOFC,SolidoxidefuelcellSO

6、FC工作溫度高達(dá)1000℃,反應(yīng)速度快,不需要貴重金屬做催化劑不存在電解質(zhì)腐蝕金屬問題碳?xì)浠衔锶剂峡勺詣?dòng)在燃料電池內(nèi)部重整,燃料中雜質(zhì)對(duì)電池的性能、壽命影響小燃料轉(zhuǎn)換效率高,高溫余熱可很好利用主要問題：固體氧化物電解質(zhì)所用的陶瓷材料脆性大,目前仍很難制造出大面積的固體電解質(zhì)膜,這嚴(yán)重制約了建造大功率SOFC；電流密度小、電壓降高、制造工藝復(fù)雜、成膜設(shè)備昂貴等(4)MCFC,MoltencarbonatefuelcellMCFC的電解質(zhì)由LiCO3和K2CO3組成,工作溫度在650℃左右,陰極、陽極電化學(xué)反應(yīng)快,無需貴金屬催

7、化劑?？梢詫?duì)天然氣、煤炭氣化燃料進(jìn)行內(nèi)部重整,直接加以利用。不需要復(fù)雜昂貴的外重整設(shè)備燃料轉(zhuǎn)換效率高,余熱利用效率也較高但MCFC在高溫下長期工作時(shí)電解質(zhì)損失造成的電池失效、隔板腐蝕對(duì)電池壽命的影響,以及鎳電極緩慢溶解所造成的性能下降都是有待解決的課題(5)PEMFC,ProtonexchangemembranefuelcellPEMFC由若干單電池串聯(lián)而成。單電池由表面涂有催化劑的多孔陽極、多孔陰極和置于其間的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn):工藝結(jié)構(gòu)簡單,開發(fā)投入相對(duì)較少可室溫下快速起動(dòng)投入運(yùn)行不使用腐蝕性電解液,安全可靠按負(fù)

8、載要求,系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚”裙β矢?特別適用于軍用或民用的可移動(dòng)電源及電動(dòng)車輛發(fā)電時(shí)無噪聲,而且紅外信號(hào)很弱,在軍事領(lǐng)域有著極其重要的用途目前在PEMFC研究中存在的主要技術(shù)關(guān)鍵:①Pt/C催化劑的制備制備Pt高度分散的電催化劑是減少Pt用量和降低電池成本的重要途徑②電極、膜三合一制備工藝電