燃料电池及其发展PPT精选文档
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一、 燃料电池极化行为
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸
（poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源
直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料
- 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。
3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。 四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
燃料电池及其发展
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries
➢ 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。
不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
燃料电池低噪声
甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 Hale Waihona Puke Baidu. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
➢ 低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）]
固态氧化物燃料电池（SOFC） 使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解 质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于 800-1000℃之间。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
EE0 RTln aH2O
nF
1
P P2 H2 O2
温度系数
E S T P nF
压力系数
E lg
p
T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
1 TS H
电池实际效率 TVC
电压效率
V
V E
电流效率（法拉第效率） C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好
气体扩散电极的基本特点:
极限电流密度比全浸没式电极大为增加
jd
nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
1）常规电池 -储能装置
2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%）
燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%）
电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
三、FC系统 （Fuel cell systems)
天然气 甲醇 重油 蒸馏油 生物质
……
空气或纯氧
燃料预处理单 元
富氢 气体 燃料电池单元
直流 直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。
二、 燃料电池反应机理
1、氢的氧化机理 2、甲醇的氧化机理 3、氧的还原机理
1、氢气的阳极氧化
其具体的反应机理可能有如下几种方式： 在酸性溶液中：
途径一
途径二
在碱性溶液中：
途径一
途径二
2、甲醇的阳极氧化
碳载Pt-Ru二元催化剂目前是直接甲醇燃料电池最成功的催化剂。 其他一些添加金属如Sn、Os、W、Mo等也具有一定的催化活性。
三、三相多孔电极
气体向电极表面输送过程： （1）气体溶解 （2）气体向电极表面附近的传质过程 （3）气体穿越双电层
气、液、固三相的界面处发生，气体反应的消耗以 及产物的疏散都需要扩散来实现。 扩散是气体电极的重要问题。
1. 气体扩散电极的特点
气体扩散电极的理论基础是“薄液膜理论 ”
图2-8 铂电极从4mol/LH2SO4溶液中 提出对氢氧化电流的影响
质子交换膜燃料电池（PEMFC） 电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚全氟磺酸
（poly[perfluorosulphonic]acid） Nafion膜， 质子能够渗透但不导电。 汽车和家庭应用的理想能源
直接甲醇燃料电池（DMFC） - 甲醇为燃料
- 适合车载和便携式设备
熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 使用熔融的锂钾碳酸盐或锂钠碳酸盐作为电解质 。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化. 。 较高的发电效率对于大规模的工业加工和发电气 轮机则具有较大的吸引力。
3、氧气还原
二电子反应途径：一类是氧分子首先得到两个电子还原为 H2O2， 然后再进一步还原为水，常被称为“过氧化氢中间 产物机理”。 四电子反应途径：氧分子连续得到4个电子而直接还原为 水（酸性电解质）或OH-（碱性电解质），常被称为“ 直接还原机理”。
还原过程复杂的原因
⑴ 有4个电子参加反应，在反应历程中往往出现 多种中间产物，因此，催化剂和反应条件不同， 可以有不同的反应机理和控制步骤。 ⑵ 氧还原可逆性很差，氧还原反应的交换电流 密度很小。因此，具有很高的过电势，氧的还原 反应速率很低，杂质影响大。 ⑶ 氧电极反应的电势比较高，大多数金属在水 溶液中不稳定，在电极表面容易出现氧和各种含 氧粒子的吸附，甚至生成氧化膜，使电极表面状 态改变，导致反应历程更为复杂。
燃料电池及其发展
9.1概述
一、工作原理（work principle)
反应物燃料（如H2)与氧化剂（如O2)发生电 化学反应获得电能的装置
1. Structure and reactions
working principle of fuel cell
2. Contrast with conventional chemical batteries
➢ 高温型 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC） (p182 Table 10-2)
五、发展和应用 （development and applications)
碱性燃料电池（AFC） 稳定的氢氧化钾电解质 主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水
磷酸燃料电池（PAFC） 使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。 可用作公共汽车的动力，已有许多发电能力为0.2 – 20 MW的工作装置被安装在世界各地，为医院， 学校和小型电站提供动力。
二、特点（Characteristics)
1.不受卡诺循环限制，能量转换效率高； 2.清洁能源； 3.负载响应速度快； 4.良好的建设、运行和维护特性，应用范围广阔； 5.燃料来源广泛，副产物水和热可回收利用。
不足： 价格昂贵，高温时寿命和稳定性不理想，缺少 完善的燃料供应体系
燃料电池能量效率
燃料电池低噪声
甲醇 天然气、丙烷气、丁烷气 汽油、煤油等石油制品 3.煤炭气化 4.从废气、垃圾、家畜粪便中提取甲烷进行重整
四、分类（Classification）
1. 所用燃料：直接型，间接型，再生型 Hale Waihona Puke Baidu. 工作温度：低温，中温，高温，超高温 3. 电解质类型：
➢ 低中温型 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料電池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） [直接甲醇燃料电池 （DMFC）]
固态氧化物燃料电池（SOFC） 使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解 质，而不用使用液体电解质。其工作温度位于 800-1000℃之间。 可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆 提供备用动力的潜力。
美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
3C Product
Computer, Communication, Consumer Electronic Product （计算机类、通讯类、消费类电子产品）
9.2 燃料电池热力学基础
一、 燃料电池电动势
EE0 RTln aH2O
nF
1
P P2 H2 O2
温度系数
E S T P nF
压力系数
E lg
p
T
二、燃料电池效率
电池理论效率：
T
1 TS H
电池实际效率 TVC
电压效率
V
V E
电流效率（法拉第效率） C
i im
9.3 燃料电电化学动力学基础
图2-9 电极上的薄膜
高效气体电极——大量薄液膜: 气体容易到达且与本体溶液连通较好
气体扩散电极的基本特点:
极限电流密度比全浸没式电极大为增加
jd
nFDc0
（1）双层电极
电极由金属粉末和适当的发孔性填料分层压制及烧 结制成。靠近气体的一侧是较大孔径的“粗孔层 ”(30-60微米)，靠近电解液的一侧是较小孔径 的“细孔层” (10-20微米)
1）常规电池 -储能装置
2）燃料电池 -能量转换装置
3. contrast with heat engine热机
热力发电机：燃料—蒸汽—汽轮机—发电机—电能 （40%）
燃料—内燃机—发电机—电能
燃料电池：燃料—燃料电池—电能 （40-60%）
电池反应法拉第效率—副反应 实际输出电压与可逆电势差—极化 生成物为液态—相转变
三、FC系统 （Fuel cell systems)
天然气 甲醇 重油 蒸馏油 生物质
……
空气或纯氧
燃料预处理单 元
富氢 气体 燃料电池单元
直流 直交流变换单元
交流
热量管理和控制单元
余热 图9-3 燃料电池发电系统组成
H2的来源
1.电解水 2.重整：用化石燃料及醇类等含氢化合物通过化学 反应制备H2的过程。