燃料電池的歷史和發(fā)展省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

燃料電池燃料電池歷史和發(fā)展燃料電池特點和分類質(zhì)子交換膜燃料電池國內(nèi)外燃料電池發(fā)展情況GO?。〉?頁

燃料電池(fuelcell)發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電之后第四類發(fā)電技術。它是一個不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芨咝Оl(fā)電裝置。第2頁

1839年英國Grove創(chuàng)造了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑簡單氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳照明燈。因為氫氣在自然界不能自由地得到，在隨即幾年中，人們一直試圖用煤氣作為燃料，但均未取得成功。1866年，人們發(fā)覺了機-電效應。這一發(fā)覺開啟了發(fā)電機發(fā)展，并使燃料電池技術黯然失色。1889年Mood和Langer首先采取了燃料電池這一名稱，但燃料電池研究直到20世紀50年代才有了實質(zhì)性進展。

試驗電廠中燃料電池組燃料電池歷史和發(fā)展NEXT第3頁

20世紀60年代初因為航天和國防需要，才開發(fā)了液氫和液氧小型燃料電池，應用于空間飛行和潛水艇。從此，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域，同時，兆瓦級磷酸燃料電池也研制成功。

空間站電力系統(tǒng)工作原理圖

從80年代開始，各種小功率燃料電池在宇航、軍事、交通等各個領域中得到應用。

近二三十年來，因為一次能源匱乏和環(huán)境保護突出，要求開發(fā)利用新清潔再生能源。燃料電池因為含有能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到世界各國普遍重視。

第4頁

燃料電池發(fā)生電化學反應實質(zhì)是燃燒反應。它與普通電池不一樣之處于于燃料電池正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是起催化轉(zhuǎn)換作用或傳導電流作用。所需燃料(氫或經(jīng)過甲烷、天然氣、煤氣、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空氣)不停由外界輸入，所以燃料電池是名符其實把化學能轉(zhuǎn)化為電能裝置。中間未經(jīng)燃燒。燃料電池特點第5頁

燃料電池與普通電池本質(zhì)區(qū)分在于其能量供給連續(xù)性，燃料和氧化劑是從外部不停提供。它含有以下優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)換效率高污染小、噪聲低高度可靠性適應能力強操作簡單靈活性大建設周期短比能量或比功率高第6頁

3.基本組成(1)電極：

能夠由含有催化活性材料組成；也能夠只作為電化學反應載體和反應電流傳導體。(2)電解質(zhì)：

能夠是固體，也能夠是水溶液或熔融鹽。第7頁(3)燃料：

氣體（如H2,CO和碳氫化合物）。液體(CH3OH、高價碳氫化合物）也能夠是固體（金屬氫化物）(4)氧化劑：

相對于燃料選擇，氧化劑選擇比較方便，純氧

氣O2

、空氣或鹵素X2都能夠勝任，而空氣是最廉價氧化劑。第8頁燃料電池分類高溫型中溫型低溫型按工作溫度按燃料起源直接式燃料電池（如直接甲醇燃料電池）間接式燃料電池（如甲醇經(jīng)過重整器產(chǎn)生氫氣，然后以氫氣為燃料電池燃料）再生類型NEXTBACK第9頁按電解質(zhì)類型磷酸鹽型燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）堿性燃料電池（AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）第10頁磷酸型燃料電池（PAFC）電極材料：

正極：高分散Pt負極：高分散Pt電解質(zhì)：

濃H3PO4工作溫度：180~210℃燃料：

H2電池反應:

2H2+O2=2H2O優(yōu)點：抗CO2，可應用于獨立電站缺點：貴金屬催化劑對CO敏感≤1％，電解質(zhì)電導率低電極反應：

負極：2H2-4e=4H正極：O2+4H+4e=2H2O++第11頁熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）電極材料：

正極：高分散Ni負極：高分散Ni電解質(zhì)：

LiCO3-K2CO3(Na2CO3)工作溫度：600~700℃燃料：

CO或H2電池反應:

2CO+O2=2CO2優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，電池內(nèi)部重整輕易，Ni催化劑不怕CO中毒缺點：電極材料壽命短，機械穩(wěn)定性差，陰極需補充CO2，腐蝕電極反應:

負極：2CO–4e+2CO3=4CO2

正極：O2+2CO2+4e=2CO32-2-第12頁堿性燃料電池（AFC）電極材料：

正極：高分散Ni負極：高分散Ni電解質(zhì)：

KOH或NaOH工作溫度：室溫~100℃燃料：

H2電池反應:

2H2+O2=2H2O優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高缺點：制備工藝復雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應:

負極：2H2+4OH–4e=4H2O正極：O2+2H2O+4e=4OH--第13頁固體氧化物燃料電池（SOFC）電極材料：

正極：多孔Ni負極：多孔Ni電解質(zhì)：

ZrO2工作溫度：900~1000℃燃料：

H2或CO電池反應:

2H2+O2=2H2O優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高缺點：制備工藝復雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應:

負極：2H2+2O–4e=2H2O正極：O2+4e=2O2-2-第14頁質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電極材料：

正極：高分散Pt負極：高分散Pt(Ru)電解質(zhì)：

質(zhì)子交換膜工作溫度：25~125℃燃料：

H2或甲醇電池反應:

CH3OH+1.5O2=CO2+2H2O優(yōu)點：無需貴金屬催化劑，無需CO2再循環(huán)，效率高缺點：制備工藝復雜，工作溫度高，價格昂貴電極反應:

負極：CH3OH+H2O-6e=CO2+6H正極：6H+6e+1.5O2=3H2O++經(jīng)典PEMFC結構PEMFC箱體5KW電池組（第一代）200W電池組（第一代）PEMFC試驗電廠HOME第15頁表1.1燃料電池分類[1]質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì),無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可室溫快速開啟。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有遼闊應用前景，尤其是電動車最正確驅(qū)動電源。它已成功地用于載人公共汽車和飛馳轎車上。H2-O2質(zhì)子交換膜燃料電池以H2為燃料，理論電動勢為1.229V,工作電壓為0.80V,此電池制作較簡單，壽命長，但使用貴金屬較多，價格高。加上氫儲存和運輸問題，人們開始用甲醇，天然氣等作為PEMFC燃料。BACKNEXT第16頁第17頁中國礦業(yè)大學

化工學院應化系下一頁最終頁上一頁第一頁圖3.6DMPEMFC原理圖第18頁

有機小分子作為PEMFC燃料有以下優(yōu)點：常溫常壓下為液體，攜帶和儲存都很方便燃料最終產(chǎn)物是CO2和水，污染極小起源豐富，價格低廉無C-C鍵束縛，電化學活性高

甲醇燃料電池分為外生整式和內(nèi)重整式兩種。前者經(jīng)過重整器把甲醇重整為氫，然后在催化劑作用下與氧氣反應產(chǎn)生電能。內(nèi)重整無需重整器，甲醇在陽極上直接氧化。與外重整型相比，它含有體積小、重量輕、結構簡單、操作輕易、可靠性高、維修方便和價格低等優(yōu)點，故而最有希望成為小型電站和交通運輸工具等動力電源。NEXTBACK第19頁

盡管DMPEMFC含有沒有可比擬優(yōu)點，但要到達實際應用還有大量問題