工业催化燃料电池PPT讲解

燃料电池柯涛张志鹏施民辉刘春燃料电池的简单介绍2008年以来，最新一代的本田和通用氢燃料电池汽车示范工程冲击着商业化之路。通用在纽约、加利福尼亚州和华盛顿特区投放了由100辆雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车组成的车队。2009年5月26日，由世界七大汽车制造商制造的12辆各种氢燃料电池轿车和燃料电池SUV从美国加利福尼亚州的圣地亚哥出发，进行了为期9天的氢公路旅行，行程约2700km沿途停靠28个城市，终点为加拿大温哥华市，氢燃料电池车的优异性能给许多人留下了深刻的印象。在德国，奔驰公司发布了最新的燃料电池车200系列产品和Citaro柴油-电力混合动力车和质子动力的三重混合动力客车（由燃料电池、电池和超电容器供电）；该车已经经过了450万km的道路测试。从2010年起，汉堡陆续接收了20辆配有燃料电池驱动系统的梅塞德斯-奔驰B级燃料电池车。•中国在2008年北京奥运会上成功组织和进行了23辆燃料电池汽车的示范，2010年上海世博会则投入近200辆燃料电池车辆作为观光和服务用车。燃料电池定义•燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池优点•1）由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量具有自由度；部分负荷时也能保持高的效率；•2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；•3）没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率；燃料电池优点•4)转换效率高，可达60%；•5)没有运转部件，噪音小；•6)NOx及SOx等的排出量少，有利环保,若以氢为燃料，排放是水，电池部分可实现“零排放”．燃料电池的缺点燃料电池的劣势主要是价格和技术上存在一些瓶颈1.燃料电池造价偏高：车用PEMFC之成本中质子交换隔膜约占成本的35%;铂触媒约占40%，二者均为高贵材料。2.反应/启动性能：燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提高稳定性则必须避免副反应的发生。反应性与稳定性常是鱼与熊掌不可兼得。3.碳氢燃料无法直接利用：除甲醇外，其它的碳氢化合物燃料均需经过转化器、一氧化碳氧化器处理产生纯氢气后，方可供现今的燃料电池利用。这些设备亦增加燃料电池系统之投资额。4.氢燃料基础建设不足：氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全世界充氢站仅约70站，仍值示范推广阶段。此外，加气时间颇长，约需时5分钟，尚跟不上工商时代的步伐。5.氢气储存技术：目前FCV的氢燃料是以压缩氢气为主，车体的载运量因而受限，每次充填量仅约2.5~3.5公斤，尚不足以满足现今汽车单程可跑480~650公里的续航力。以-253℃保持氢的液态氢系统虽已测试成功，但却有重大的缺陷：约有1/3的电能必须用来维持槽体的低温，使氢维持于液态，且从隙缝蒸发而流失的氢气约为总存量的5％燃料电池发明历史1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。燃料电池的发展现状PEM：质子交换膜燃料电池；DMFC：直接甲醇燃料电池；SOFC：固体氧化物燃料电池；MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池；AFC：碱性燃料电池；PAFC：磷酸盐型燃料电池燃料电池电极反应及其工作原理电极反应由两个电极（正极和负极）组成的电化学电池有一总反应式，即A氧化1+B还原1——C还原2+D氧化2ＦＣ中的负极反应或为H2直接氧化，或为甲醇氧化。间接氧化是通过一重整步骤发生的。正极反应总是还原，在绝大多数情况下，氧来自于空气。燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。燃料氧化剂阳极阴极电解质导电离子燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。下图为燃料电池基本原理示意图。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极H2—O2燃料电池燃料电池的类型1.按燃料电池的运行机理分•酸性燃料电池•碱性燃料电池2.按燃料类型分•氢燃料电池•甲烷燃料电池•甲醇燃料电池•乙醇燃料电池3.按照电解质的种类分•碱性燃料电池（AFC）：采用氢氧化钾溶液作为电解液•磷酸盐型燃料电池（PAFC）：采用200℃高温下的磷酸作为其电解质•熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）：采用熔融态碳酸盐作为其电解质•固体氧化物型燃料电池（SOFC）：采用固态电解质•质子交换膜燃料电池（PEMFC）：采用极薄的塑料薄膜作为其电解质AFC多以直接供氢气作为燃料，电解质为高浓度的KOH溶液，电化学活性高，。阳极反应：阴极反应：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。3.1碱性燃料电池（alkalinefuelcell--AFC）eOHOHH44422222O2HO4e4OH碱性燃料电池的结构（自由电解质型）AFC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。AFC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。3.2磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）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180～200℃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。阳极反应：阴极反应：HeH222eOHHO222122磷酸燃料电池特点：•排气清洁。燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有NOX,SOX。•发电效率高。燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的，所以能量变换损失少。•低噪音，低振动。不伴有旋转机械的发电方式，所以是在低噪音、低振动下运转。3.3熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)MCFC操作温度600~700℃，可采用内重整方式供给燃料（氢气或甲烷),也可以粗制氢气作燃料。阳极为烧结的多孔镍，阴极为含Li的NiOx。阳极反应：阴极反应：eCOOHCOH2222322322221COeCOOMCFC的特点：这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。在这样高的温度下，尽管硫仍然是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题了，且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。如果其浪费的热量能够加以利用，其潜在的效率可高达80%。不过，高温也会带来一些问题。这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能用于交通运输，其电解质的温度和腐蚀特性表明它们用于家庭发电不太安全。但是，其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。目前的示范电池可产生高达2MW的电力，50-100MW容量的电力设计业已提到议事日程。3.4固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell--SOFC）SOFC是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。在这种燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。阳极反应：H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-阴极反应:O2+4e-2O2-SOFC的特点：①较高的电流密度和功率密度；②阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；③可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；④避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；⑤能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；⑥广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；⑦陶瓷电解质要求中、高温运行(600～1000℃)，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。3.5质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）PEMFC的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。工作时，氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。下图是质子交换膜燃料电池工作原理示意图阳极反应：阴极反应：22H4H4e22O4H4e2HO500kw质子交换膜燃料电池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。质子交换类膜存在下述缺点：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；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；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。各种类型燃料电池的比较FCSOFCMCFCAFCPAFCPEMFC优点燃料适应性广采用非贵金属作为催化剂高品位余热可用于热电联供固体电解质较高的功率密度燃料适应性广