(完整版)燃料电池-3-1-概述

新型能源材料NewEnergyMaterials第三篇燃料电池技术3.1燃料电池概述3.2碱性燃料电池3.3磷酸燃料电池3.4质子交换膜燃料电池3.5熔融碳酸盐燃料电池3.6固体氧化物燃料电池燃料电池是一种能够持续地通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的能量转换装置，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。燃料电池的定义：普通电池(battery)-----能量储存装置e.g.，lithiumionbattery燃料电池(fuelcell)-----能量转换装置燃料电池与其他电池的区别能源问题：化石能源日益枯竭能源价格攀升当前燃料电池的研发背景能源与环境制，转换效率只有33-35%传统能源受卡诺循环及现代材料的限石油价格飞涨，150美元/桶1212111TTQQQWCarnot等温膨胀：状态(p1V1T1)→状态(p2V2T1)，系统从环境中吸收热量、+Q；绝热压缩：状态(p4V4T2)→状态(p1V1T1)，环境对系统作功、-W。绝热膨胀：状态(p2V2T1)→状态(p3V3T2)，系统对环境作功、+W；等温压缩：状态(p3V3T2)→状态(p4V4T2)，系统向环境中放出热量、+Q；等温线T1、高温等温线T2、低温卡诺循环:由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程所组成的理想循环卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，卡诺循环的效率必定小于1。在相同温度的高、低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于可逆卡诺热机的效率卡诺循环效率1-1)())(()()()()()(0041041041041324100hhhhhhhhhhhTTTTTQWSSTTSSTSSTQQWSSTSSTQSSTQ数为：则，逆卡诺循环制冷系外界做功：高温放热：低温吸热：1-1)())(()()()()()(0000041041410041324100TTTTTQWSSTTSSTSSTQQWSSTSSTQSSTQLLLLLLLL数为：则，正卡诺循环热机系对外界做功：低温放热：高温吸热：我国汽车保有量将快速增长车用汽柴油需求不断增大,石油供应安全面临严峻挑战0500010000150002000025000300002010年2015年2020年2025年2030年货车客车轿车年份汽油消耗量柴油消耗量燃油总消耗量2010784481331597720129087933418421201510801112772207920201539215146305381.422.253.24.5570.0%61.5%54.9%44.4%20052010F2015F2020F进口依存度我国未来车用燃油消耗量预测（单位：万吨）我国未来石油进口依存度预测（单位：亿吨）我国未来汽车保有量预测（单位：万辆）据公安部统计，截止2013年年底，我国汽车保有量达到1.37亿辆，31个城市汽车保有量超过100万辆。北京、天津、成都、深圳、上海、广州、苏州、杭州8个城市汽车保有量超过200万辆，其中北京超过500万辆。汽车保有量的迅速增加，严重加剧了空气污染。全国许多城市空气污染严重，其中65%的城市环境污染、25%的二氧化碳、70%的有毒气体来自于汽车尾气，并且是PM2.5的主要来源。2014年春节期间，在放鞭炮叠加作用下，全国有16个大城市空气质量属于严重污染严重的雾霾汽车对燃油的消耗发展新能源我国汽车的普及率完全可能接近发达国家的水平----每千人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。按每辆汽车年消耗燃油1吨计（目前欧洲的水平1.5吨，日本1吨，中国2.2吨），4.5亿辆车需要4.5亿吨燃油。有关专家预测，2020年国内的石油年产量可达到1.8亿吨，如进口2.7亿吨，共计4.5亿吨。如其中2/3给汽车用，炼成燃油约2亿吨。汽车燃油存在2.5亿吨以上巨大缺口。4.5吨原油3吨燃油环境问题：传统化石材料，煤炭、汽、柴油的燃烧释放COx、NOx、SOx气体和粉尘大量的废水、废渣、废热和噪声污染汽车尾气排放全球变暖冰川融化大气污染我国城市环境污染治理仍然严峻。２００６年全国监测的５５９个城市中，空气质量达到三级标准的城市占２８．５％、劣于三级标准的城市占９．１％。全国共有39个城市的空气质量低于三级。有数据表明，机动车排放越来越成为城市的主要大气污染源。国际能源机构的一项调查结果表明，美国、中国、俄罗斯和日本的二氧化碳排放量几乎占全球总量的一半。调查表明，美国二氧化碳排放量居世界首位，年人均二氧化碳排放量约20吨，总量占全球的23.7%。中国年人均二氧化碳排放量为2.51吨，总量约占全球的13.6%。中国面临越来越大的CO2减排压力。欧美日汽车二氧化碳排放限值♣2009年9月胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上承诺，中国5年减排15亿吨CO2。♣发达国家汽车行业CO2排放量约占总排放量25%左右。♣我国在售轿车百公里油耗平均8.06升，相当汽车每公里二氧化碳排放量为161.2g。汽车工业发展面临二氧化碳排放的巨大压力深圳市委书记王荣介绍说，目前深圳市是全中国新能源试点最好的城市，也是新能源汽车普及率最高的城市。在深圳有超过八百台比亚迪纯电动汽车作为出租车奔驰在大街小巷，更有两百多台K9纯电动大巴作为公交车正在使用。这些新能源汽车的投入，是深圳能够在全国大范围雾霾侵袭的情况下依旧保持较好的空气质量使用混合动力--锂电子电池/铅酸电池，通常电动汽车充一次电能跑150公里左右百公里只需10度电，如果每度电以0.5元计算，最多也就花费5元钱。汽车百公里耗油最低也要10升，得花费70多块钱，费用相对高很多8.06升/百公里*7元/升=56.42元/百公里充电难、基础设施滞后-----如果建立电动汽车充电站，那么在这么拥挤的城市里应该在什么地方选址？市场汽车保有率是否达到维持充电站的费用？电动汽车充电时间较长者能达到七八个小时，短则需要一两个小时，市民将汽车放置于充电站后，又怎样解决交通问题？充电----离不开煤炭等传统化石燃料的发电充电电动汽车存在的问题：能源危机环境污染发展新能源主要内容1燃料电池的工作原理2燃料电池构成3燃料电池的分类4燃料电池的优点燃料电池的发明1790年，英国化学家尼科尔森,W.WilliamNicholson(1753~1815)，设计了一个伏打电池堆，将导线放在水里通过电流时，发现导线两端有气泡冒出，经分析是氧气和氢气H2OH2+O2电解1842年，英国人格洛夫，SirWilliamRobertGrove(1811–1896)，设计了一个实验方法，让氧气和氢气缓慢燃烧，反应过程中产生了微弱的电流---------燃料电池的雏形WilliamNicholson1959年，英国剑桥大学的化学家法兰西斯培根，设计了一个电池组，在高温高压下为电池输入氢气和氧气，制作出一个5kW的燃料电池组，能够推动电焊机，电锯，及堆高机（Lifter）工作1965年，以氢氧为燃料的碱性燃料电池成功的应用于美国双子星座5号太空飞船上，成为太空的电力供应系统从上世纪80年代开始，各种燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用小功率燃料电池燃料氧化剂阳极阴极电解质离子导通1.1燃料电池的发电原理燃料电池是一种能量转化装置，按照电化学原理，等温地把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。电极提供电子转移的场所阳极进行燃料的氧化过程阴极进行氧化剂的还原过程导电离子在将阴、阳极分开的电解质内迁移电子通过外电路做功并构成电的回路燃料电池工作原理：与常规化学电源不同，类似于汽、柴油发动机氧化还原反应：[R]+[O]P[R]代表还原剂(燃料)，[O]代表氧化剂，P代表反应产物。燃料电池的两个半反应：[R][R]++e-[R]++[O]+e-P[R]+[O]P还原剂[R]的氧化反应氧化剂[O]的还原反应氢气氧气阳极阴极H22H++2e-1/2O2+2H++2e-H2O总反应：H2+1/2O2H2O膜外电路电解质2e2e燃料电池的输出电压=E阴极-E阳极电极极化现象：在电池开路时，电池的电压为开路电压E0，当电池输出电流对外做功时，输出电压由E0降至E，这种电压降低的现象称为极化一个电池总的极化包括：阳极氧化、阴极氧化和欧姆电位降三部分电池输出电流时阳极电位的损失称为阳极极化电池输出电流时阴极电位的损失称为阴极极化极化原因：活化极化：电化学反应速度限制所引起的电位损失浓差极化：反应物传质限制所引起的电位损失欧姆极化：电池组件（主要是电解质膜）的电阻所引起的欧姆电位损失理论热电转化效率可达85%~90％实际发电效率均在40%-60%的范围受极化影响燃料电池运行特性----比能量(功率密度)燃料电池的发电性能可用比能量来判别。电池比能量的物理意义是电池单位质量或单位体积所能输出的电能。两种表达方式:质量比能量：以单位质量电池输出的功率，kW/kg表示体积比能量：以单位体积电池输出的功率，kW/L表示2.燃料电池的构成构成燃料电池的关键部件：电极隔膜集流板（或称双极板）电解质2.1电极：电极是燃料（如氢）氧化和氧化剂（如氧）还原的电化学反应发生的场所，包括阳极电极和阴极电极电极厚度一般为200-500μm，通常分为2或3层：一层为扩散层或支撑层，由导电多孔材料制备，起到支撑催化剂层、收集电流、传导气体和反应产物（如水）的作用整平层，1-2μm一层为催化剂层，由电催化剂和防水剂（如聚四氟乙烯）等制备，其厚度仅为几微米至数十微米♣电催化与电催化剂电催化是指电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的一种催化作用。多相催化：heterogeneouscatalysis电催化反应的速度的影响因素：•双电层内电场大小•电解质溶液本性•电催化剂的活性电催化剂的要求：良好的催化活性高的选择性电的良导体高的结构稳定性---抗腐蚀能力EnergyEnviron.Sci.,2012,5,5281–5286NanoporoussurfacealloysashighlyactiveanddurableoxygenreductionreactionelectrocatalystsTEM,Pt/C,beforeandafter4000CVcyclesTEM,NP-Pt6Ni1,beforeandafter4000CVcyclesNanoporousPt/Ni(NP-Pt6Ni1)alloysforORRJ.L.Zhang,K.Sasaki,E.Sutter,R.R.Adzic,Science2007,315,220.StabilizationofPlatinumOxygen-ReductionElectrocatalystsUsingGoldClustersPolarizationcurvesonrotatingdiskelectrodeCVcurvesAfter3000cyclesBefore3000cyclesAfterBeforeAfterBeforeAfter3000cyclesBefore3000cyclesAuclusterPt(111)CarbonAu/Pt/CcatalystforORRAu/Pt/CPt/CAu相原子行的间距与Pt（111）一致Pd-PtBimetallicNanodendriteswithHighActivityforOxygenReductionB.Lim,M.Jiang,P.H.C.Camargo,E.C.Cho,J.Tao,X.Lu,Y.Zhu,Y.Xia,Science2009,324,1302.TEM,Pdnanocrystalseeds,truncatedoctahedralHRTEM,Pdnanocrystalseeds,truncatedoctahe