第四节燃料电池.ppt

第九章 车用发动机发展趋势 第四节 燃料电池 一、燃料电池的结构 燃料电池（FC，fuel cell） 定义：一种将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化成电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池的优点 （1）、能量转化效率高　 它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。 （2）燃料适用范围广 可以是氢、甲醇、天然气、煤制气等。 （3）对环境污染小 有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低　CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。 （4）比能量高、负荷响应快、运行质量高　 燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率且能连续大功率供电。 燃料电池是汽车的一种重要候选能源 燃料电池的分类 按照燃料电池惯用的分类方法 可依据燃料电池电解质的不同进行分类 1、碱性燃料电池（AFC） 2、磷酸燃料电池（PAFC） 3、质子交换膜燃料电池（PEMFC） 4、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 5、固体氧化物燃料电池（SOFC） 适用于电动车辆作为电源的电池 碱性燃料电池（AFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池可以用氢气做燃料，空气作为氧化剂，近年来的开发应用较快。 1997年起，加拿大BPS（ ballard power system）公司研制出供电动车辆使用的PEMFC电池，并被世界上许多大的汽车制造公司作为电动车辆的动力。 磷酸燃料电池因可用甲醇等廉价燃料，在电动车辆上也有广阔的应用前景。 质子交换膜燃料电池的组成 质子交换膜燃料电池（PEMFC）单体组成图： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）电池堆结构图： 质子交换膜燃料电池及供气系统示意图 燃料电池本体的质量和体积并不大，但燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料电池转换装置和附属设备才能获得氢气，而这些燃料储存装置或燃料电池转换装置和附属设备的质量和体积远远超过燃料电池本身，包括提供装载燃料H2或使碳氢化合物转化为H2的重整器等辅助设备，H2和其他气体的分离装置和H2的净化处理装置等。还包括燃料供给系统和调节装置、氧气供给和调节装置、反应过程中产生物与水的排除和利用装置、反应过程中产生的热和热管理系统等辅助装置。 二、燃料电池的工作原理 -燃料 || 电解质 || 氧化剂+ 在负极上燃料进行氧化反应，失去电子变成燃料离子进入电解质，与电解质中的阴离子化合生成氧化物。 在正极上氧化物进行还原反应，得到电子变成负离子进入电解质，或与电解质中的燃料离子化合生成氧化物。电子通过外电路，由负极流向正极。在电池内部电解质作为离子导体，借助离子的流动，形成电的回路。 当电解质为酸性时，如磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC），燃料氢进行离子化反应，水在正极侧即氧化侧产生。 当电解质为碱性时，如碱性燃料电池（AFC），氧进行离子化反应，水在负极侧即燃料侧产生。 当电解质为熔融碳酸盐时，如熔融碳酸盐燃料电池，氧离子化并与CO2结合生成CO3ˉ离子，水在负极侧产生，并同时释放出CO2，被循环送回正极。 当电解质为固体氧化物时,如固体氧化物燃料电池（SOFC），氧离子化成Oˉ，水在负极侧产生。 在燃料电池中，正极为氧化物电极，主要是氧电极 负极为燃料电极，主要是氢电极 质子交换膜燃料电池系统示意图 酸性电解质时，正、负极的反应分别为： O2+4Hˉ+4e=2H2O 2H2=4H++4e * * *