化学电源和燃料电池精要.ppt

用途广泛的电池 能源危机 寻找新能源 燃料电池的特点 燃料电池 vs. 一般电池 燃料电池分类 燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为六类： 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell--PEMFC） 碱性燃料电池（alkaline fuel cell--AFC） 磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell--PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell--MCFC) 固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell--SOFC） 甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell，DMFC, PEMFC的一种） 燃料电池的应用 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池的构造 聚合物电解质膜 膜电极（MEA） 双极板 电堆（电池组） 燃料电池汽车 电动车结构 各类燃料电池原理 燃料电池发展历史 燃料电池电站 便携式电源 交通工具 军用设备 燃料电池的特点 (1) 高效 燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能。在理论上它的热电转化效率可达85%-90%。但实际上，电池在工作时由于各种极化的限制，目前各类电池实际的能量转化效率均在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。 燃料电池的特点 (2)环境友好 当燃料电池以富氢气体为燃料时，富氢气体是通过矿物燃料来制取的，由于燃料电池具有高的能量转换效率，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱除硫及其化合物，而且燃料电池是按电化学原理发电，不经过热机的燃烧过程，所以它几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，它的化学反应产物仅为水，从根本上消除了氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等的排放。 燃料电池的特点 (3)安静 燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少。因此它工作时安静，噪声很低。实验表明，距离40kW磷酸燃料电池电站4.6m的噪声水平是60dB。而4.5MW和11MW的大功率磷酸燃料电池电站的噪声水平已经达到不高于55dB的水平。 (4)可靠性高 碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。 阳极 阴极 H2 → 2H+ + 2e- 1/2 O2 + 2H+ +2e- → H2O 双极板 MEA 阴极+阳极+膜 单电池 电解质 质子交换膜 电解质膜使用的材料－－Nafion（Dupont） Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名Teflon）形成膜的骨架，及附在Teflon端部，具有磺酸（HSO3）基团的侧链组成，环绕在磺酸侧链周围的含水区成为电解质。 膜电极通常由气体扩散层、催化层、电解质膜层等组成 铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上，催化剂一般为铂。 多孔气体扩散电极特点 电极的性能不单单依赖于电催化剂的活性，还与电极内各组份的配比，电极的孔分布与孔隙率，电极的导电特性等有关。也就是说，电极的性能与电极的结构和制备工艺密切相关。 O2 e- H2O H+ 多孔气体扩散电极的目的 在燃料电池中，采用多孔气体扩散电极： 是增加真实的电化学反应区，提高多孔气体扩散电极的表观（几何）电流密度i； 是减薄液相传质层厚度，提高反应区反应物浓度，增加i0 。而提高 i0最有效的方法还是提高电催化剂的活性。 贵金属电催化剂 铂是首选的低温燃料电池电催化剂。对氢氧化，交换电流密度可高达0.1-100mA/cm2。用其作电催化剂，制备的多孔气体扩散电极，当其工作电流密度高达每平方厘米几百毫安时，极化仅有1-20mv，接近可逆电极。 而将其用于氧还原时，交换电流密度最高为每平方厘米几微安，在室温交换电流密度可低至10-10A/cm2。因此氧电极是典型的不可逆电极。据此用纯氢、纯氧作燃料和氧化剂的氢氧低温燃料电池，极化主要产生在氧电极，和电解质产生欧姆电位降（欧姆极化）。 阴极：cathode 阳极：anode * * 燃 料 电 池 直接把化学能转变为电能的装置，俗称电池 形形色色的电池 A Cu Zn 稀H2SO4 KOH溶液 CH4 O2 H2O a极 b极 用途广泛的电池 用于汽车的铅蓄电池和燃料电池 用于“神六”的太阳能电池 笔