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1、先进电池材料课程代码：0213103500,柳 勇15896649559工科1号楼-5091 2016.5.30,1,第四章 燃料电池,2,提纲,什么是燃料电池?燃料电池的发展历程燃料电池的种类及应用质子交换膜燃料电池固体氧化物燃料电池电解质材料阴极材料和阳极材料,3,什么是燃料电池？,Changing energy,Obtainingelectricity,Usingair source,Equipment for changing chemical energy to electrical energy,Based on principles of electrochemistry,Use
2、 air as a source of O2,Changing energy,Obtainingelectricity,Usingair source,What is a fuel cell?燃料电池是一种通过氢和氧非燃烧反应将化学能转化为电能的电化学装置。,4,什么是燃料电池？,5,它就象一个工厂，将存储在燃料中的化学能转化成电能。,什么是燃料电池？,Fuel cells and batteries are both electrochemical devices that produce electricity, however the fundamental distinction be
3、tween them is that batteries store “fuel” internally, whereas fuel cells use external fuel storage. The implication of this is that when a batterys “fuel” is spent, the battery must either be disposed or recharged whereas fuel cell, one can simply refill its storage tank and go, without having to re
4、place the entire cell or wait it to “recharge”.,燃料电池与普通蓄（干）电池的区别：,6,什么是燃料电池？,7,燃料电池与电池、超级电容器以及传统电容器的关系,In 1839, Sir Grove known as “Father of the Fuel Cell” indicated the possibility of the hydrogen-oxygen reaction to generate electricity. （燃料电池之父格罗夫1839年发表世界第1篇有关FC研究报告)In 1842, Sir Grove presented
5、the Fuel Cell in all its details.,(Source: http:/chem.ch.huji.ac.il/eugeniik/history/grove.htm),燃料电池的发展历程,8,1889：L.Mond和C.Langer以多孔非传导材料为隔膜，组装出采用氢气-氧气的燃料电池，接近现代的FC1923：A.Schmid提出多孔气体扩散电极的概念，在此基础上：1950：培根(Francis Bacon)研制成功碱性燃料电池，并被NASA确定为其太空计划的动力源. 成功作为60年代Apollo登月飞船的主电源1960：美国通用电气研制出采用聚苯乙烯磺酸膜的质子交换膜
6、燃料电池PEMFC，且于1960年10月首次用于双子星座(Gemini)飞船的主电源 由于膜的降解，缩短了电池寿命，污染了宇航员的饮用水1962：杜邦（Du Pond）公司开发成功全氟磺酸膜，并被通用组装成长寿命（57000h）的PEMFC，并在卫星上做了小电池的搭载实验。解决了以上问题 因价格原因，未能中标美国航天飞机电源，导致PEMFC研究停滞 让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池1970年代：其它燃料电池陆续面世磷酸(Phosphoric Acid) PAFC、溶融碳酸盐 (Molten Carbonate) MCFC、固体氧化物(Solid Oxide) SOFC1983：Ballard在加
7、国防部支持下，研制成功新型全氟磺酸膜，实现“电极-膜-电极”三合一组建（MEA）,燃料电池的发展历程,9,燃料电池的种类,10,PEM Fuel Cells (PEMFC)质子交换膜燃料电池,Polymer Electrolyte Membrane（高分子电介质膜）Proton Exchange Membrane（质子交换膜）,被认为最有商业运用前景的燃料电池重量轻，能源密度高无运动电极部件，低腐蚀低运行温度，60-80 度为主要运行温度快速启动，时频响应快应用于可携带电源，小型固定能源站， 及交通运输输出功率范围由 1 瓦 至300 千瓦,燃料电池的种类,11,Alkaline Fuel C
8、ells (AFC)碱性燃料电池,六十年代用于NASA 的Apollo飞行舱提供动力可作为小规模太空站及军事用途。局限性：必须在纯氧及纯氢环境运行。空气中二氧化碳必须除去。,燃料电池的种类,12,Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)磷酸燃料电池,1970年开始研究。可广泛作为中等规模固定能源站，用于建筑，酒店，医院。运行液体腐蚀电极运行温度200度，设计复杂，寿命较短，成本较高,燃料电池的种类,13,Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)熔融碳酸盐燃料电池,MCFC不需要燃料处理过程 运行于650度温度时频响应慢，设计复杂可用于固定能
9、源输出,燃料电池的种类,14,Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)固体氧化物燃料电池,能对燃料有较大宽容性，可直接用天然气及煤化后气体。结构设计相对简单运行温度为700-1000度可作为大型固定能源提供站（发电站）已进入实验运行及早期商业运用阶段,燃料电池的种类,15,燃料电池的种类,16,燃料电池的研究,燃料电池的优点： 与内燃机相比，能量转化效率高 与普通电池相比，易于放大，较高能量密度，快速充电 清洁：无空气污染；环保：噪音小，安静 燃料可再生：氢气（电解水）、化工废气 燃料电池的缺点： 价格昂贵（铂金） 功率密度有待进一步提高 技术不是很成熟，运行条件较苛刻 寿命较
10、短 相应基础设施不普及（供氢、加氢）,17,燃料电池的种类,按电解质材料的不同，可分为5大类碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell, AFC）,主要用于空间科学，低温型 (60-220 ) 磷酸燃料电池（Phosphorous Fuel Cell, PAFC）,已经达到1.311 MW，低温型 (180-200 ) 熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)，中温型 (650 ) 质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Fuel Cell, PEMFC）,发展很快，但成本高 ，低温型 (80-100 0C)固体氧化物燃料电池（
11、Solid Oxide Fuel Cell, SOFC），高温型 (700-1000 ),碱性燃料电池(AFC),质子交換膜燃料电池(PEMFC),磷酸型燃料电池PAFC,熔融碳酸盐燃料电池MCFC,燃料电池的种类,20,主要燃料电池及其特性,22,燃料电池的基本工作原理,燃料电池电流的大小与反应物、电极和电解质的接触面的面积是成比例的。 这是由于，燃料电池通过将其初始的能源（燃料）的化学能转化成电子流而产生电能，是个能量转移过程，这一能量转移具有有限的速度，并且必须发生在反应表面或界面，因此产生的电量就和用于能量转换的反应表面或界面的有效面积成比例，较大的表面积对应转化较大的电流。,23,燃
12、料电池的基本工作原理,为了提供大的反应表面，使表面与体积之比最大化，通常把燃料电池设计成薄的平板结构，如右图所示。 电极是高度多孔的，以便进一步提高反应表面积，并保证气体很好地进入。平板结构的一边提供燃料（阳极电极），而另一边提供氧化物（阴极电极），一个薄的电解质层将燃料和氧化物从空间上隔开，以保证两个独立的半反应发生时相互隔离。,24,燃料电池的基本工作原理,上图是个详细的平板燃料电池的截面图，如图中的数字指示，这些步骤如下：反应物输入（输送到）燃料电池；电化学反应；离子通过电解质传导，电子通过外电路传导；反应产物从燃料电池中排出；,25,燃料电池性能,燃料电池的性能可以用它的电流-电压特性
13、图来概述，该图叫做电流-电压（i-V曲线），显示在一个给定电流输出时燃料电池的电压输出。注意这里的电流已经按燃料电池的有效面积标准化，是电流密度（A/cm2）。当维持一个由热力学决定的恒定电压时,一个理想的燃料电池将输出任何量的电流(只要有充分的燃料补充)。然而在实际应用中，一个真正的燃料电池的实际电压输出比理想的热动力学预计的电压要小。,26,燃料电池性能,此外，实际电流输出越多，电池的电压输出就越低，从而限制了可以释放的总功率。一个燃料电池释放的功率(P)由电流和电压的乘积给出：P=iV。,27,燃料电池性能,从燃料电池输出的电流越多，其损耗就越大，一般来说，存在三种主要的燃料电池损耗，它
14、们决定了一个燃料电池i-V曲线的特征形状。每一种损耗都和我们之前讨论的燃料电池的工作步骤有关： 1. 活化损耗（由于电化学反应而引起的损耗） 2. 欧姆损耗（由于离子和电子传导而引起的损耗） 3. 浓度损耗（由于质量传输而引起的损耗）V=Ethermo- act - ohmic - conc,质子交换膜燃料电池PEMFC,Startup,Efficiency,Temperature,Current,PEMFC,A faster cold startup,High Efficiency,Low working temperature,High working current(0.5 A/cm22
15、.0 A/cm2, 0.6 V ),Startup,Temperature,Current,Efficiency,Why shall we focus on PEM fuel cell?PEMFC受到重视,PEMFC结构示意图,How dose a PEM Fuel Cell work?,PEMFC 工作原理,目前，电催化剂均为“铂，Pt”，贵，nm级。 CO 是其克星，10ppm，就可使铂严重中毒，大大降低电池性能及寿命,PEMFC 单电池及电堆,(Source: Singapore GasHub and FAC ),SOFC的优点,发电效率高，化学能电能，不受卡诺循环限制，理论效率可达80
16、； ，能量转化效率是所有燃料电池中最高的。可使用多种燃料，不仅可以使用氢气 ，还可以使用资源丰富而且经济的天然气、液化石油气作为燃料； 工作温度高，排放高温余热可进行综合利用；由于运动部件很少，低噪声。又因为采用全固态结构，无酸碱腐蚀性物质包含在电池中，电池的污染排放极低低排放，是清洁能源；质量轻、体积小、比功率高(600Wkg)，有较高的电流密度和功率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易于实现热电联产。可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电电源。,国际上发达国家目前正竞相开发SOFC。美国的固态能源转化联合会( SECA) 正在推动310kW 级发电的低成本SOFC 模块，成本目标定为400 美元/ kW。日本和欧洲许多国家也都在开发数千瓦到数十千瓦级的SOFC 发电系统。按照目前我国的SOFC 科研进展情况，到2020 年预计可以实现510kW 级发电模块的产业化批量生产。,33,主要燃料电池及其特性,燃料电池发电容量与适用范围,36,谢谢大家！,
