燃料电池的分类及应用

1燃料电池的基本原理燃料电池的特点燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SOx、NOx气体和固体粉尘的排放。可靠性和操作性良好，噪声低。所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。2燃料电池的组成和工作原理燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。图10－3燃料电池的基本单元3燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：（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：（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：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。eHH222OHOeH222122OHOH222224燃料电池中的催化作用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、电导率和经济性。5燃料电池的分类一、燃料电池的分类1、按燃料电池的运行机理分。分为酸性燃料电池和碱性燃料电池2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质2.1碱性燃料电池（AFC）、2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.3磷酸燃料电池（PAFC）、2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）、3.按燃料类型分。3.1氢燃料电池3.2甲烷燃料电池3.3甲醇燃料电池3.4乙醇燃料电池6燃料电池可依据其工作温度、所用燃料的种类和电解质类型进行分类。按照工作温度，燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料来源，燃料电池可分为直接式燃料电池(如直接甲醇燃料电池)，间接式燃料电池(如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池的燃料)和再生类型进行分类。依据电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。782.1碱性燃料电池（AFC）2.1.1碱性染料电池简介碱性燃料电池是该技术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。负极反应：正极反应：碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。eOHOHH444222OHeOHO442229图10－8碱性燃料电池的结构（自由电解质型）102．1．2AFC的优点是：①效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高；②因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；③因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。2．1.3AFC的缺点是：①因为电解质为碱性，易与CO2生成K2CO3、Na2CO3沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去CO2，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。②电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。112.1.4、碱性染料电池的发展现状碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，碱性燃料电池）是最早开发并获得成功的燃料电池，早在20世纪60年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电池采用KOH等碱性溶液为电解质，用H2或NH3、N2H2裂解的H2为燃料，空气或O2为氧化剂，使用贵金属（如Pt、Ag等）和过渡金属（如Ni等）或者由它们组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点，具有较高的电效率（60%～90%），迄今为止，它仍是最适合于太空使用的燃料电池。碱性燃料电池分为中温（工作温度约为523K）和低温（工作温度低于373K）两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上的电源，经过几十年的使用，被证明为安全可靠的太空电源；低温碱性燃料电池是今后开发重点，其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。碱性燃料电池与其他燃料电池相比，碱性燃料电池系统具有较高的电效率（60%～90%），可以在室温下快速启动，并迅速达到额定负荷，而且电池的本体材料选择广泛，电池造价较低。因此，碱性燃料电池作为高效且价格低廉的成熟技术，若应用于便携式电源和交通工具用动力电源，具有一定的发展和应用前景。碱性燃料在实际使用中，往往采用空气作为氧化剂，空气中的CO2会毒害碱性电解质生成碳酸根离子，对电池的效率和使用寿命造成影响，使得碱性燃料电池系统需要复杂的CO2脱除装置，而且只能用纯H2为燃料；此外，碱性燃料电池的催化剂一般采用贵金属Pt才能获取电池的高性能，且需要一个控制体系保持电解质浓度的恒定。这些造成碱性燃料电池系统的复杂化，成本增高，导致其不适于民用、与其他燃料电池相比竞争力降低。1220世纪90年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷，使其在汽车上的应用受到限制，因此，除少数机构还在研究碱性燃料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂，一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段，将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂，如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2，克服其致命弱点后，用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此，碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。132.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.2．1质子交换膜燃料电池简介质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为：阳极(负极)：2H2-4e=4H+阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的电子e都省略了负号上标。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。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即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0.5～1V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)。1415PEMFC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16电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。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，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，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。172.2.2质子交换膜燃料电池优点质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，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。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。质子交换膜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被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。18质子交换类膜存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，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)某些碳氢化合物，如甲醇等，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。1920质子交换膜燃料电池的应用质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，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。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。212.3磷酸燃料电池（PAFC）2.3.1磷酸燃料电池工作原理磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。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。燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。阳极反应：H2+2e-→2H+阴极反应：1/2O2+2H+→H2O+2e-总反应：1/2O2+H2→H2O22电池本体(即单个电池)的输出电压在无负荷的状态下，为1[V]程度。提高电流密度，通常设计以0.6—0.7[V/单个电池]为额定值。无负荷状态与实际电压的差作为热能而放出。并且，电池本体的发电效率不决定于电池面积，所以，燃料电池本质上即使是下容量的，也是高效率的。实际使用上是按输出的需要，把数十个以至数百个电池本体串联而积成为电池组合体(stack)的。232.3.2磷酸燃料电池特点2.3.2.1磷酸燃料电池特点①．排气清洁燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有NOX,SOX。污染大气物质参照图:2