燃料電池分類以及發(fā)展

1、關于燃料電池的分類及發(fā)展第一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月燃料電池的基本原理 燃料電池的特點燃料電池的能量轉換效率高，不受卡諾效率限制。 清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設備、沒有SO x、NO x氣體和固體粉塵的排放。 可靠性和操作性良好，噪聲低。 所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。 第二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2燃料電池的組成和工作原理 燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質和外電路。燃料電池中的電解質有不同的種類。 圖103 燃料電池的基本單元 第三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）

2、（1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應：（2）氫離子穿過電解質到達陰極。電子則通過外電路及負載也達到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應式為：（3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應為：伴隨著電池反應，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會連續(xù)不斷地產生電能。第四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4燃料電池中的催化作用 燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質的分界面上。 催化劑是一類可產生電催化作用的物質。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑

3、。 *評價催化劑的主要技術指標為穩(wěn)定性、電催化活性、電導率和經濟性。第五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5燃料電池的分類 一、燃料電池的分類 1、按燃料電池的運行機理分。 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池 2. 按電解質的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質 2.1堿性燃料電池（AFC）、 2.2質子交換膜燃料電池（PEMFC） 2.3磷酸燃料電池（PAFC）、 2.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、 2.5固體氧化物燃料電池（SOFC）、 3. 按燃料類型分。 3.1氫燃料電池 3.2甲烷燃料電池 3.3甲醇燃料電池 3.4乙醇燃料電池 第六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于202

4、2年6月6 燃料電池可依據其工作溫度、所用燃料的種類和電解質類型進行分類。按照工作溫度，燃料電池可分為高、中、低溫型三類。按燃料來源，燃料電池可分為直接式燃料電池(如直接甲醇燃料電池)，間接式燃料電池(如甲醇通過重整器產生氫氣，然后以氫氣為燃料電池的燃料)和再生類型進行分類。依據電解質的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。第七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月7第八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月82.1堿性燃料電池（AFC）2.1.1 堿

5、性染料電池簡介堿性燃料電池是該技術發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務，包括航天飛機提供動力和飲用水。 負極反應：正極反應：堿性燃料電池的工作溫度大約80。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當笨拙。不過，它們是燃料電池中生產成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。 如同質子交換膜燃料電池一樣，堿性燃料電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質也非常銘感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質反應生成碳酸鉀，降低電池的性能。第九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月9圖108 堿性燃料電池的結構（自由電解質型

6、） 第十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月10212 AFC的優(yōu)點是：效率高，因為氧在堿性介質中的還原反應比其他酸性介質高；因為是堿性介質，可以用非鉑催化劑； 因工作溫度低，堿性介質，所以可以采用鎳板做雙極板。21.3 AFC的缺點是：因為電解質為堿性，易與CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，嚴重影響電池性能，所以必須除去CO2，這給其在常規(guī)環(huán)境中應用帶來很大的困難。電池的水平衡問題很復雜，影響電池的穩(wěn)定性。第十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月112.1.4、堿性染料電池的發(fā)展現狀堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，堿性燃料電池）是最早開發(fā)并獲得成功的燃

7、料電池，早在20世紀60年代就被用于宇宙飛船和登月飛行。堿性燃料電池采用KOH等堿性溶液為電解質，用H2或NH3、N2H2裂解的H2為燃料，空氣或O2為氧化劑，使用貴金屬（如Pt、Ag等）和過渡金屬（如Ni等）或者由它們組成的合金等作為催化劑。堿性燃料電池具有穩(wěn)定、耐久等優(yōu)點，具有較高的電效率（60%90%），迄今為止，它仍是最適合于太空使用的燃料電池。堿性燃料電池分為中溫（工作溫度約為523K）和低溫（工作溫度低于373K）兩種。中溫堿性燃料電池被用于航天飛行和太空項目上的電源，經過幾十年的使用，被證明為安全可靠的太空電源；低溫堿性燃料電池是今后開發(fā)重點，其應用目標是便攜式電源和交通工具用動

8、力電源。堿性燃料電池與其他燃料電池相比，堿性燃料電池系統具有較高的電效率（60%90%），可以在室溫下快速啟動，并迅速達到額定負荷，而且電池的本體材料選擇廣泛，電池造價較低。因此，堿性燃料電池作為高效且價格低廉的成熟技術，若應用于便攜式電源和交通工具用動力電源，具有一定的發(fā)展和應用前景。堿性燃料在實際使用中，往往采用空氣作為氧化劑，空氣中的CO2會毒害堿性電解質生成碳酸根離子，對電池的效率和使用壽命造成影響，使得堿性燃料電池系統需要復雜的CO2脫除裝置，而且只能用純H2為燃料；此外，堿性燃料電池的催化劑一般采用貴金屬Pt才能獲取電池的高性能，且需要一個控制體系保持電解質濃度的恒定。這些造成堿性

9、燃料電池系統的復雜化，成本增高，導致其不適于民用、與其他燃料電池相比競爭力降低。第十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1220世紀90年代以來，眾多汽車生產商都在研究使用低溫燃料電池作為汽車動力的可行性。由于低溫堿性燃料電池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽車上的應用受到限制，因此，除少數機構還在研究堿性燃料電池外，大多數汽車廠商和研究機構都在質子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）上尋求突破。然而PEMFC和DMFC都以貴金屬Pt為主催化劑，一旦PEMFC和DMFC達到真正的批量生產階段，將被迫面臨Pt的匱乏。堿性燃料電池可以不采用貴金屬作催化劑，如果采用CO

10、2過濾器或堿液循環(huán)等手段去除CO2，克服其致命弱點后，用于汽車的堿性燃料電池將具有現實意義。因此，堿性燃料電池領域近年的研究重點是CO2毒化解決方法和替代貴金屬的催化劑。第十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月132.2質子交換膜燃料電池（PEMFC） 2.21質子交換膜燃料電池簡介質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質

11、。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。兩電極的反應分別為：陽極(負極)：2H2-4e=4H+ 陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O 注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.51V 之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。 第十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

12、022年6月14第十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月15PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質子交換膜和其兩側各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質的復合體。 圖1019 膜電極結構示意圖 第十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月16電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成質子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應確保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配

13、至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。 電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約23.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。 第十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月172.2.2 質子交換膜燃料電池優(yōu)

14、點質子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換率高；發(fā)電時不產生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。 質子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等被公認為電動汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流，因此質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。 第十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)

15、作于2022年6月18 質子交換類膜存在下述缺點：(1)制作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；(2)對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為7090，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。 第十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月19第二十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月20質子交換膜燃料電池的應用

16、質子交換膜燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術，其廣闊的應用前景可與計算機技術相媲美。經過多年的基礎研究與應用開發(fā)，質子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展，微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質子交換膜燃料電池發(fā)電系統的研究也取得了一定成果。 采用質子交換膜燃料電池氫能發(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質子交換膜燃料電池發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等分散電源聯網備用供電的靈活發(fā)供電系統轉變，極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和環(huán)保效益。 第二十一張，

17、PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月212.3 磷酸燃料電池（PAFC）2.3.1 磷酸燃料電池工作原理 磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以濃磷酸為電解質，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負電極的中溫型燃料電池?？梢栽?50220工作。具有電解質穩(wěn)定、磷酸可濃縮、水蒸氣壓低和陽極催化劑不易被CO毒化等優(yōu)點，是一種接近商品化的民用燃料電池。燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2。經過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)，同時將氧輸送到燃料堆

18、的正極(空氣極)進行化學反應，借助觸媒劑的作用迅速產生電能和熱能。陽極反應：H2+2e- 2H+ 陰極反應：1/2O2+2H+H2O+2e-總反應：1/2O2 +H2 H2O第二十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月22電池本體(即單個電池)的輸出電壓在無負荷的狀態(tài)下，為1V程度。提高電流密度，通常設計以0.60.7V/單個電池為額定值。無負荷狀態(tài)與實際電壓的差作為熱能而放出。并且，電池本體的發(fā)電效率不決定于電池面積，所以，燃料電池本質上即使是下容量的，也是高效率的。實際使用上是按輸出的需要，把數十個以至數百個電池本體串聯而積成為電池組合體(stack)的。第二十三張，PPT共六十五頁

19、，創(chuàng)作于2022年6月232.3.2磷酸燃料電池特點2.3.2.1磷酸燃料電池特點 排氣清潔燃料并不燃燒，就發(fā)電，所以幾乎完全沒有NOX,SOX。污染大氣物質參照圖:第二十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月24.發(fā)電效率高 從來的內燃機發(fā)電裝置時燃燒燃料驅動渦輪等機械能使發(fā)電機轉換出電能的，能量損耗大。但是，燃料電池發(fā)電上是把燃料的化學能直接變換成電能的，所以能量變換損失少。結果發(fā)電效率遠高于從來的發(fā)電第二十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月25.低噪音，低振動不伴有旋轉機械的發(fā)電方式，所以是在低噪音、低振動下運轉。噪音的比較如圖所示：第二十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月262.3.3磷酸燃料電池應用PAFC作為一種中低溫型（工作溫度180-210）燃料電池，不但具有發(fā)電效率高、清潔、適應多樣燃料、無噪音、運轉費低、設置場所限制少、大氣壓運轉容易操作、安全性優(yōu)良、部分負荷特性好等特點，而且還可以熱水形式回收大部分熱量。PAFC用于發(fā)電廠包括兩種情形：分散型發(fā)電廠，容量在10-20MW之間，安裝在配電站；中心電站型發(fā)電廠，容量在100MW以上，可以作為中等規(guī)模熱電廠。PAFC電廠比起一般電廠具有如下優(yōu)點：即使在發(fā)電負荷比較低時，依然保持高的發(fā)電效率；由于采用模塊結構，現場安裝簡單，省時，并且電廠擴容容易。第二十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年

21、6月272.4熔融碳酸燃料電池（MCFC）工作溫度可達650。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質。當溫度加熱到650時，這種鹽就會溶化，產生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。陽極反應：CO32- + H2 H2O + CO2 + 2e-陰極反應：CO2 + 1/2 O2 + 2e- CO32-第二十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月28這種電池工作的高溫能在內部重整諸如天然氣和石油的碳氫化合物，

22、在燃料電池結構內生成氫。在這樣高的溫度下，盡管硫仍然是一個問題，而一氧化碳污染卻不是問題了，且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產生的多余熱量還可被聯合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達60%。如果其浪費的熱量能夠加以利用，其潛在的效率可高達80%。不過，高溫也會帶來一些問題。這種電池需要較長的時間方能達到工作溫度，因此不能用于交通運輸，其電解質的溫度和腐蝕特性表明它們用于家庭發(fā)電不太安全。但是，其較高的發(fā)電效率對于大規(guī)模的工業(yè)加工和發(fā)電氣輪機則具有較大的吸引力。目前的示范電池可產生高達2 MW的電力，50-100 MW容量的電力設計業(yè)已提到議事日程。第二十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作

23、于2022年6月292.5固體氧燃料電池（SOFC）2.5.1固體氧化物燃料電池簡介固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。采用的是固態(tài)電解質（鉆石氧化物），性能很好。他們需要采用相應的材料和過程處理技術，因為電池的工作溫度約為1000。固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，它們使用諸如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等固態(tài)陶瓷電解質，而不

24、用使用液體電解質。其工作溫度位于800-1000之間。在這種燃料電池中，當氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進入的氧，從而完成循環(huán)。陽極反應：H2 + O2- H2O + 2e-CO + O2- CO2 + 2e-陰極反應: O2 + 4 e- 2 O2- 第三十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月30對于溶化的碳酸鹽燃料電池而言，高溫意即這種電池能抵御一氧化碳的污染，正如上式顯示的那樣，一氧化碳會隨時氧化成二氧化碳。這便省卻了外部重整從燃料中提取氫，而且這種電池還可以再直接使用石油或天然氣。固態(tài)

25、氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定，然而它們用來承受所產生的高溫的建造材料卻要昂貴得多。第三十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月312.5.3特點SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池，簡稱PAFC)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：較高的電流密度和功率密度；陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；能提供高質余熱，實現

26、熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80左右，是一種清潔高效的能源系統；廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態(tài)結構；陶瓷電解質要求中、高溫運行(6001000)，加快了電池的反應進行，還可以實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。 第三十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月322.5.4固體氧化物燃料電池的發(fā)展及應用 固體氧化物燃料電池的開發(fā)始于20世紀40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發(fā)展。 早期開發(fā)出來的SOFC的工作溫度較高，一般在8001000。目前科學家已經研發(fā)成功中溫固體氧化物燃料電池，其工作溫度一般在800左右。一些國家的科學家也正在努力開發(fā)低溫

27、SOFC，其工作溫度更可以降低至650700。工作溫度的進一步降低，使得SOFC的實際應用成為可能。 固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，可供工業(yè)界用來發(fā)電和取暖，同時也具有為車輛提供備用動力的潛力。固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，是解決目前世界能源短缺和環(huán)境污染的重要手段，受到了世界主要國家的普遍重視，包括美國、歐洲、日本、澳大利來、韓國等。 第三十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月333.1. 氫燃料電池3.1.1 氫燃料電池工作原理 氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解

28、質發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極。第三十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月343.1.2 氫燃料電池的應用在汽車上的應用a.氫燃料電池車的工作原理是： 將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)，經過催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過質子交換膜的，這個電子，只能經外部電路，到達燃料電池陰極板，從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水(蒸氣)帶走，就可以不

29、斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。與傳統汽車相比，燃料電池車能量轉化效率高達60-80%，為內燃機的23倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。 第三十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月35b.氫燃料電池汽車的優(yōu)勢分析 氫作為汽車代用燃料具有良好的行進加速性、燃料適應性、低溫起動性好、超低排放、全工況高效率等優(yōu)點。 我國氫的來源極為豐富，技術水平也有了一定的基礎，水電解制氫、生物質氣化制氫等制氫方法已形成規(guī)模。其中低價電電解水制氫方法在

30、今后仍將是氫能規(guī)模制備的主要方法。另外，用氫代替煤和石油，不需對現有的技術裝備作重大的改造，現在的內燃機稍加改裝即可使用，這可以降低氫能應用成本。 氫燃燒的產物是水，不會污染環(huán)境，真正實現了零污染的目標。 廢氣組成 燃油汽車 氫燃料電池汽車 CO 17.0g/km 0HC 2.7g/km 0NOx 0.74g/km 微量CO2 320g/km 0第三十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月36c.氫燃料電池在汽車應用上的劣勢分析（1）生產成本高：目前，氫的來源一般是天然氣和沼氣。此外，可以通過電解水將氫和氧分離而提取氫。而電能則可以通過煤或核反應堆發(fā)電來產生。由于氫的提取需要消耗其他能源

31、，因此，如果使用煤、天然氣、沼氣等碳氫燃料來提取氫，則會排出導致溫室效應的氣體。（2）能量密度小且儲運不便：氫燃料儲存困難，有泄漏和氣化的問題，包括爆燃、回火、早燃等問題有待解決。 第三十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月37第三十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月38在飛機上的應用a.應用歷史波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。波音公司稱這在世界航空史上尚屬首次,預示航空工業(yè)未來更加環(huán)保。但波音承認，這一技術不太可能為大型客機提供主要動力。 波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奧卡尼亞鎮(zhèn)進行試飛氫燃料電池飛機。 小型飛機起飛及爬升過

32、程使用傳統電池與氫燃料電池提供的混合電力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飛機切斷傳統電池電源,只靠氫燃料電池提供動力。飛機在1000米高空飛行了約20分鐘,時速約100公里。這一技術對波音公司意義重大,也讓航空工業(yè)的未來“充滿綠色希望”。 第三十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月39b.技術局限性在燃料價格上漲、環(huán)境污染與全球變暖的情況下，對更清潔、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增長。 氫燃料電池可以為小型飛機提供飛行動力，但不太可能為大型客機提供主要動力。 這一技術可能為大型飛機提供輔助動力，但這需要技術突破。波音公司說，將繼續(xù)開發(fā)氫燃料電池的潛力，以改善環(huán)境。 國際能源機

33、構說，推廣使用氫氣和氫燃料電池，可減少石油、天然氣、煤炭這三種可產生溫室氣體的能源消耗。 第四十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月403.2甲烷燃料電池甲烷燃料電池原理甲烷燃料電池是以甲烷和氧氣為原料的化學電源，該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，在兩極上分別通甲烷和氧氣，將反應產生的化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。負極：CH4+10OH-8e-CO32- +7H2O 正極：O2+4e-+2H2O4OH- 離子方程式為：CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O 總反應方程式為：CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O 1.隨著電池不斷放電，電解質溶液的堿性減??； 2.通常情況下，甲

34、烷燃料電池的能量率大于甲烷燃燒的能量利用率。 第四十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月41甲烷燃料電池的開發(fā)應用甲烷來源豐富,在陽極的反應方式多種多樣,具有不同的特點,以甲烷為燃料的固體氧化物燃料電池適用于不同的場合,因此甲烷作燃料應用于SOFC具有很大的發(fā)展前景。甲烷作燃料仍舊存在許多難題:陽極積碳問題至今沒有很好解決;內部重整過程導致多種氣體共存于陽極,反應紛繁復雜,反應機理和動力學行為難以把握;蒸汽重整過程是劇烈吸熱反應,而部分氧化過程是放熱反應等等,因此進一步開發(fā)新的陽極材料,使其能夠有效控制陽極反應過程,以實現熱效應匹配和熱平衡,從而減少電池熱應力,并提高電池效率,減少陽極

35、積碳產生,提高電池壽命,這些都是以甲烷為燃料SOFC亟待解決的問題。 第四十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月423.3甲醇燃料電池3.3.1電池操作原理直接甲醇燃料電池使用液態(tài)的甲醇(methanol，CH3OH)作燃料。它的發(fā)電核心是所謂的膜電極組(MEA，Membrane Electrode Assembly)。MEA包括陽極、陰極與隔離陰陽兩極的高分子薄膜。方程式(1)(3)是在陰、陽兩個電極的電化學反應。甲醇在陽極因電化學反應，氧化產生氫離子與電子如(1)式。所產生的鋰離子透過具離子傳導功能的高分子薄膜，傳遞到陰極。所產生的電子流經外部電路傳到陰極。在陰極，空氣中的氧氣便與

36、傳遞到陰極的氫離子與電子反應，還原成水如(2)式?？偡磻闶羌状寂c氧反應生成水與二氧化碳如(3)式。第四十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月433.3.2電池的結構與組成他的陽極或是陰極包括：(a)擴散層(DL，DiffusionLayer)，(b)微孔層(MPL，Micro Porous Layer)，(c)觸媒層。擴散層主要的功能是讓反應物(陽極的甲醇、陰極的氧氣)由擴散層能夠均勻地擴散到觸媒層，同時能將觸媒層的電流導出或導入。它是由孔隙度很大，導電度高的碳紙所組成。為了防止水在碳紙里面累積，碳紙內的碳纖維表層涂有疏水性很高的鐵弗龍(Teflon)。微孔層的功能是防止擴散層淹水，

37、并將讓觸媒層的電流導出或導入。它是由孔隙度小、導電度高的碳粉所組成。這碳粉層內有含量很高的疏水性鐵弗龍。觸媒層是由表面含有鉑金屬(Pt，platinum)的碳粉和具有質子傳導功能的高分子(Nafion)所組成。鉑金屬的平均顆粒約在25nm，鉑金屬因奈米化而提高它的反應表面積。高分子除了傳導質子之外，它并作為黏結劑將觸媒固定在電極上。隔離陰、陽兩極的是質子交換膜，這層交換膜目前是由Nafion所組成。第四十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月443.3.3電池組與系統直接甲醇燃料電池的理論輸出電壓，在標準狀態(tài)(25、1大氣壓下)是1.21V，目前實際能輸出的電壓約在0.30.4V。然而各

38、種電子產品的電壓遠大于單一電池的輸出電壓，如手機需3.5V，電腦需1020V。電池必須串聯成電池組(cellstack)才能達到電子產品所需的電壓。圖3是各種電池串聯增壓的方式。(a)是單一電池；(b)是傳統疊堆式電池組，這種電池組合的優(yōu)點是電池內阻(R)小，因電池內阻所造成的電壓損失(內阻電壓損失=電流I內阻R)很小，適合大電流的電池；(c)是單電池配合增壓器(DCDConverter)，電壓增壓器可以將單電池的低電壓倍增到所需要的電壓，若所需要增壓的幅度太大，它的能量轉換效率將因而減低；(d)平面式串連電池組，這種平面的組合適合許多外型扁平的電子產品，但是它的內阻較疊堆式電池組要大很多，適

39、合小電流的電池；(e)疊堆平面混合式電池組，擇中(b)與(d)的優(yōu)缺點。第四十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月453.3.4應用范圍國際間正在研發(fā)或展示中的燃料電池有許多種，包括：直接甲醇燃料電池、質子交換膜燃料電池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cel1)、堿性燃料電池(AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料電池(PAFC，Phosphoric AcidFuel Cel1)、熔融碳酸堿燃料電池(MCFC，MoltenCarbonate Fuel Cell)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel

40、Cell)以及生化燃料電池(MFC，Microbial Fuel Gell)。圖5是各種燃料電池大致發(fā)展的功率范圍與電池操作的溫度范圍。生化燃料電池使用微生物或酵素作為電極，目前處于初期純研發(fā)階段，尚未達電子產品所須的發(fā)電功率。目前較為接近商業(yè)化的燃料電池系統是直接甲醇燃料電池與質子交換膜燃料電池。熔融碳酸堿燃料電池與固態(tài)氧化物燃料電池已有分散式發(fā)電機的示范展示。第四十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月46圖6是燃料電池各種可能應用的范圍與所需的發(fā)電功率。直接甲醇燃料電池使用液態(tài)的甲醇，因此燃料的儲存、攜帶方便。但是它的輸出功率不高，因此主要是發(fā)展作為3C小型電子產品，如手機、數位相

41、機、光碟放映機、筆記型電腦、小型可攜式發(fā)電機的攜帶電源。輸出功率約在數瓦至數十瓦之間。目前直接甲醇燃料電池在3C小型電子產品的開發(fā)中，仍以日本公司最為積極。第四十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月47筆記型電腦用的直接甲醇燃料電池可以粗分成兩個發(fā)展方向，一是疊堆電池組采用主動式進料(如INEC、Sanyo、Toshiba、Samsung)，另一是平面電池組采用被動式進料(如Fujitsu、Hitachi)。這些燃料電池的功率約在20W上下，燃料電池均搭配電腦內的二次鋰電池混合供電。目前的發(fā)展均采用外掛型，也就是在功能上，燃料電池僅取代筆記型電腦的直流電源供應器，筆記型電腦依然配備二次

42、鋰電池，所以在本身的設計并沒有作任何變更。未來的發(fā)展勢必會將電池整合到電腦內。第四十八張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月483.4乙醇燃料電池堿性乙醇燃料電池的優(yōu)勢： 易儲存，易推廣：與H2、CO、CH3等氣體燃料電池的燃料相比，乙醇是液體的，易儲存，尤其是無需在現有的公路交通體系下“另起爐灶”建設耗資巨大的氣體燃料補給站（加氣站），只要在現有的加油站的基礎上，稍加改動即可完成產業(yè)化的目標。乙醇燃料工業(yè)生產技術完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纖維素的“農業(yè)剩余廢物”水解發(fā)酵得到。乙醇（就是俗稱的酒精），基本無毒，并且有特殊氣味；所以一旦泄漏對生物和環(huán)境的危害很小，并且容易被發(fā)現。第四

43、十九張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月49二、燃料電池的特點燃料電池的原理和特點 燃料電池是靠氫氧結合成水的反應來發(fā)電的，因而不會產生氮氧化物（NOX）和碳氫化合物（HC）等易對空氣造成污染的物質。它由三部分組成：陰極、陽極和電解液。燃料電池有著幾個獨特的性質：1 燃料電池在工作時必須有能量（燃料）輸入，才能產出電能。2 燃料電池所能夠產生的電能只和燃料的供應有關，只要供給燃料就可以產生電能，其放電是連續(xù)進行的。3 燃料電池本體的質量和體積并不大，但需要一套燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備才能獲得氫氣，而這些燃料儲存裝置或燃料轉換裝置和附屬設備的質量和體積遠遠超過燃料電池本身。第五

44、十張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月50三、燃料電池的歷史燃料電池的歷史可以追溯到第19世紀英國法官和科學家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所進行的電解作用實驗使用電將水分解成氫和氧是人們后來稱之為燃料電池的第一個裝置。接下來, 燃料電池歷史的主要一章是由劍橋大學的工程師Francis Thomas Bacon博士完成的。1932年，Bacon想到了Mond 和Langer發(fā)明的裝置，并對其原來的設計作了多次修改，包括用比較廉價的鎳網代替白金電極, 以及用不易腐蝕電極的硫酸電解質代替堿性的氫氧化鉀。Bacon將這種裝置叫做Bacon電池，它實

45、際上就是第一個堿性燃料電池（alkaline fuel cell, AFC）。 不過，在經歷27年后，Bacon才真正制造出能工作的燃料電池。1959年，他生產出一臺能足夠供焊機使用的5 kW機器。不久，人們很快發(fā)現，除Bacon之外，Allis-Chalmers公司的農業(yè)機械生產商Harry Karl Ihrig也在這一年的晚期制造出第一臺以燃料電池為動力的車輛。將1008塊他生產的這種電池連在一起，這種能產生15 kW的燃料電池組便能為一臺20馬力的拖拉機供電。上述發(fā)展為今天人們所知的燃料電池的商業(yè)化奠定了基礎。 第五十一張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月51燃料電池的現代發(fā)展史可

46、以論為起始于20世紀60年代初期。當時，美國政府的新機構國家航空和宇宙航行局（NASA）正尋找為其即將進行的一系列無人航天飛行提供動力的方法。由于使用干電池太重，太陽能價格昂貴，而核能又太危險，NASA業(yè)已排除這幾種現有的能源，正著手探索其它解決辦法。燃料電池正好吸引了他們的視線，NASA便資助了一系列的研究合同，從事開發(fā)實用的燃料電池設計。這種研究獲得了第一個質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）。1955年，就職于通用電器公司（GE）的化學家Willard Thomas Grubb進一步改進了原來的燃料電池設計，使用磺化的聚苯乙烯離子交換膜作為電解質。三年

47、后，另一位GE的化學家Leonard Niedrach發(fā)明了一種將白金存放在這種膜山上的方法，從而制造出人們所知的“Grubb-Niedrach燃料電池”。此后，GE繼續(xù)與NASA合作開發(fā)這一技術，終于使其在Gemini空間項目中得到應用。這便是第一次商業(yè)化使用燃料電池。第五十二張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5220世紀初期，飛機制造商Pratt&Whitney獲得使用Bacon的堿性燃料電池專利的執(zhí)照，并著手對原來的設計進行修改，試圖減輕其重量。Pratt&Whitney成功地開發(fā)了一種電池，其使用壽命比GE的質子交換膜的壽命長得多。正因為如此，Pratt&Whitney獲得了N

48、ASA的幾項合同，為其阿波羅航天飛機提供這種燃料電池。從此，這種堿性電池便用于隨后的大多數飛行任務，包括航天飛機的飛行。使用燃料電池作為能源的另一好處就是它能產生可飲用水作為副產品。盡管在空間應用方面獲得了令人感興趣的發(fā)展，然而截至目前在地面應用方面卻有鮮為人知的進展。1973年的石油禁運引發(fā)了人們對燃料電池動力在地面應用的重新興趣，因為許多政府期望降低對石油進口的依賴性。不計其數的公司和政府部門開始認真地研究解決燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的障礙的方法。在整個20世紀的70年代和80年代，大量的研究工作都致力于開發(fā)所需的材料，探索最佳的燃料源，以及迅速降低這種異乎尋常技術的成本。最后，直到20世紀9

49、0年代，也就是Grove試驗之后的150多年，正如第一個燃料電池揭開其面紗那樣，一種廉價的，清潔的，可再生的能源最終變成了事實。在這十年中，技術上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一輛以燃料電池為動力的車輛。二年后， Ballard和Daimler Benz公司都生產出每升1 kW的燃料電池組。第五十三張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月53四、燃料電池的應用與使用 1、軍事上的應用軍事應用應該是燃料電池最主要，也是最適合的市場。高效，多面性，使用時間長，以及寧靜的工作，這些特點極適合于軍事工作對電力的需要。燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提

50、裝備到海陸運輸提供動力。在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應。此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數量便可以顯著的減少。自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。第五十四張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月542、移動裝置上的應用伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動電器的主要能源

51、。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點，比常規(guī)電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。如果要使燃料電池能在膝上型電腦，移動電話和攝錄影機等設備中應用，其工作溫度，燃料的可用性，以及快速激活將成為人們考慮的主要參數，目前大多數研究工作均集中在對低溫質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池的改進。正如其名稱所示，這些燃料電池以直接提供的甲醇-水混合物為基礎工作，不需要預先重整。使用甲醇，直接甲醇燃料電池要比固體電池具有極大的優(yōu)越性。其充電僅僅涉及重新添加液體燃料，不需要長時間地將電源插頭插在外部的供電電源上。當前，這種燃料電池的缺點是用來在低溫下生成氫所需的白金催化劑的成本比較昂貴，其電力密度較低。

52、如果這二個問題能夠解決，應該說沒有什麼問題能阻擋它們的廣泛應用了。目前，美國正在試驗以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，而德國則在實驗以這種能源為動力的膝上型電腦。第五十五張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月553、居民家庭的應用對于固定應用而言，設計燃料電池的技術困難就簡化得多了。盡管許多燃料電池能生產50 kW的電能，但絕大部分商業(yè)化的燃料電池目前都是用于固定的?，F在，許多跡象表明，燃料電池也可用語人們稱做的居民應用（大都小于50 kW）。低溫質子交換膜燃料電池或磷酸燃料電池幾乎可以滿足私人居戶和小型企業(yè)的所有熱電需求。目前，這些燃料電池還不能供小型的應用，美國，日本和德國僅有少量的

53、家庭用質子交換膜燃料電池提供能源。質子交換膜燃料電池的能源密度比磷酸燃料電池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生產成本也比前者便宜。這些燃料電池應該能夠為單個私人居戶或幾家居戶提供能源，通過設計可以滿足居民對能源的所有要求，或者是他們的基本負載，高峰時的需求由電力網提供。為了有利于該技術的應用，可以用天然氣銷售網作為氫燃料源。當前，許多生產商預測在不久的將來便會出現其它燃料源泉，這有助于進一步降低排放，加速燃料電池進入新的理想市場。新近進入固定燃料電池市場的廠家是汽車大亨General Motors，她于2001年8月成功地開發(fā)了一種產品。第五十六張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5

54、64、空間領域的應用在20世紀50年代后期和60年代初期，美國政府為了替其載人航天飛行尋找安全可靠的能源，對燃料電池的研究給于了極大的關心和資助，使燃料電池取得了長足的進步。重量輕，供電供熱可靠，噪聲輕，無震動，并能生產飲用水，所有這些優(yōu)點均是其它能源不可比擬的。General Electric生產的Grubb-Niedrach燃料電池是NASA用來為其Gemini航天項目提供動力的第一個燃料電池，也是第一次商業(yè)化使用燃料電池。從20世紀60年代起，飛機制造商Pratt & Whitney贏得了為阿波羅項目提供燃料電池的合同。Pratt & Whitney生產的燃料電池是基于對Bacon專利的

55、堿性燃料電池的改進，這種低溫燃料電池是最有效的燃料電池。在阿波羅飛船中，三組電池可產生1.5 kW或2.2 kW電力，并行工作，可供飛船短期飛行。每組電池重約114 kg，裝填有低溫氫和氧。在18次飛行中，這種電池共工作10，000小時，未發(fā)生一次飛行故障。在20世紀80年代航天飛機開始飛行時，Pratt & Whitney的姊妹公司國際燃料電池公司繼續(xù)為NASA提供航天飛機使用的堿性燃料電池。飛船上所有的電力需求由3組12 kW的燃料電池存儲器提供，勿需備用電池。國際燃料電池公司技術的進一步發(fā)展使每個飛船上使用的燃料電池存儲器能提供約等于阿波羅飛船上同體積的燃料電池十倍的電力。以低溫氫和氧為燃料，這種電池的效率為70%左右，在截至現在的100多次飛行中，這種電池共工作了80，000多個小時。第五十七張，PPT共六十五頁，創(chuàng)作于2022年6月575、固定的應用目前，燃料電池開發(fā)得最完善