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先进电池材料课程代码：0213103500柳勇liuyong209@haust.edu.cn15896649559工科1号楼-50912016.5.301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？ChangingenergyObtainingelectricityUsingairsourceEquipmentforchangingchemicalenergytoelectricalenergyBasedonprinciplesofelectrochemistryUseairasasourceofO2ChangingenergyObtainingelectricityUsingairsourceWhatisafuelcell?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？Fuelcellsandbatteriesarebothelectrochemicaldevicesthatproduceelectricity,howeverthefundamentaldistinctionbetweenthemisthatbatteriesstore“fuel”internally,whereasfuelcellsuseexternalfuelstorage.Theimplicationofthisisthatwhenabattery’s“fuel”isspent,thebatterymusteitherbedisposedorrechargedwhereasfuelcell,onecansimplyrefillitsstoragetankandgo,withouthavingtoreplacetheentirecellorwaititto“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In1839,SirGroveknownas“FatheroftheFuelCell”indicatedthepossibilityofthehydrogen-oxygenreactiontogenerateelectricity.（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)In1842,SirGrovepresentedtheFuelCellinallitsdetails.(Source:~eugeniik/history/grove.htm)燃料电池的发展历程81889：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(FrancisBacon)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（DuPond）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(PhosphoricAcid)PAFC、溶融碳酸盐(MoltenCarbonate)MCFC、固体氧化物(SolidOxide)SOFC1983：Ballard在加国防部支持下，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9Fuelcell类型燃料氧化剂OperationtemperatureApplicationAlkaline碱性FC,AFC纯氢纯氧50-200℃Spaceflight1-100kW（成熟，中温，贵，腐蚀性）Phosphoricacid磷酸FC,PAFC重整气空气100-200℃Powersystems1-2000kW（功率大，贵，腐蚀性）Moltencarbonate熔融碳酸盐FC,MCFC净化煤气天然气重整气空气650-700℃Medium-tolarge-scalePowersystems250-2000kW(功率大，寿命短，腐蚀性)Protonexchangemembrane质子交换膜FC,PEMFC氢重整气空气室温100℃lowerpowersystems,Vehicles,mobileapplications,etc.1-300kW（好，贵）Solidoxide固体氧化物FC,SOFC煤气天然气碳氢化合物空气800-1000℃Powersystems1-200kW（高温）燃料电池的种类10PEMFuelCells(PEMFC)质子交换膜燃料电池——PolymerElectrolyteMembrane（高分子电介质膜）——ProtonExchangeMembrane（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11AlkalineFuelCells(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12PhosphoricAcidFuelCells(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13MoltenCarbonateFuelCells(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源输出燃料电池的种类14SolidOxideFuelCell(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15Fuelcell类型燃料氧化剂OperationtemperatureApplicationProtonexchangemembrane质子交换膜FC,PEMFC氢重整气空气室温100℃lowerpowersystems,Vehicles,mobileapplications,etc.1-300kW（好，贵）Alkaline碱性FC,AFC纯氢纯氧50-200℃Spaceflight1-100kW（成熟，中温，贵，腐蚀性）Directmethanol直接甲醇FC,DMFC甲醇空气20-90℃Portableelectronic,systemsoflowpower1-1000W（微功率，不成熟）Phosphoricacid磷酸FC,PAFC重整气空气100-200℃Powersystems1-2000kW（功率大，贵，腐蚀性）Moltencarbonate熔融碳酸盐FC,MCFC净化煤气天然气重整气空气650-700℃Medium-tolarge-scalePowersystems250-2000kW(功率大，寿命短，腐蚀性)Solidoxide固体氧化物FC,SOFC煤气天然气碳氢化合物空气800-1000℃Powersystems1-200kW（高温）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①碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）,主要用于空间科学，低温型(60-220℃)②磷酸燃料电池（PhosphorousFuelCell,PAFC）,已经达到1.3~11MW，低温型(180-200℃)③熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)，中温型(650℃)④质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeFuelCell,PEMFC）,发展很快，但成本高，低温型(80-1000C)⑤固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,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MCFCFuelcell类型燃料氧化剂OperationtemperatureApplicationAlkaline碱性FC,AFC纯氢纯氧50-200℃Spaceflight1-100kW（成熟，中温，贵，腐蚀性）Phosphoricacid磷酸FC,PAFC重整气空气100-200℃Powersystems1-2000kW（功率大，贵，腐蚀性）Moltencarbonate熔融碳酸盐FC,MCFC净化煤气天然气重整气空气650-700℃Medium-tolarge-scalePowersystems250-2000kW(功率大，寿命短，腐蚀性)Protonexchangemembrane质子交换膜FC,PEMFC氢重整气空气室温100℃lowerpowersystems,Vehicles,mobileapplications,etc.1-300kW（好，贵）Solidoxide固体氧化物FC,SOFC煤气天然气碳氢化合物空气800-1000℃Powersystems1-200kW（高温）燃料电池的种类20主要燃料电池及其特性AFCPEMFCPAFCMCFCSOFC电解质液态KOH聚合物膜液态磷酸熔融Li2CO3-K2CO3陶瓷比如YSZ电解质形态液体固体液体液体固体电荷载体OH-H+H+CO3-O2-工作温度℃50~20060~80150~220650900~1100阳极Pt/NiPt/CPt/CNi/AlNi/YSZ阴极Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO3燃料兼容性H2H2,甲醇H2H2,CH4H2,CH4,CO22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：①反应物输入（输送到）燃料电池；②电化学反应；③离子通过电解质传导，电子通
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