燃料电池种类工作原理及结构ppt
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燃料电池的概述
• 燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和 氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的 电化学装置。 • 燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery） 完全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之 外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电， 因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活 性物质一旦消耗完，电池的寿命就终止。
cell) 英文简称
电解质
AFC
PAFC
PEMFC
MCFC
SOFC
• 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) (molten carbonate 氢氧化钾 质子渗透 固体氧化 磷酸 碳酸钾 fuel cell) 溶液 膜 物 天然气， 氢、甲醇、 天然气、 天然气、 燃料 纯氢 • 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) (proton exchange 煤气、沼 煤气、沼 天然气 membrane fuel 氢 cell) 气 气 • 固体氧化物燃料电池 (SOFC) (solid oxide fuel cell) 氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气
阳极反应： 2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应： O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应： O2+2H2 →2wk.baidu.com2O
图10－8 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
2.2 磷酸燃料电池（PAFC）
• PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重 整天然气作燃料，空气作氧化剂，浸有浓磷酸的SiC 微孔 膜作电解质 ， Pt/C 作催化剂 ，工作温度 200℃ 。 • 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以 浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负 电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。具有 电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易 被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 • PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。
燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和 外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
图10－3 燃料电池的基本单元
燃料电池的分类
一、燃料电池的分类
1、按燃料电池的运行机理分。
分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2.1碱性燃料电池（AFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC） 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）
2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质
3. 按燃料类型分。
3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池
燃料电池的种类
燃料电池 碱性燃料 磷酸型燃 质子交换 熔融碳酸 固体氧化 • 碱性燃料电池（ AFC ）（ alkaline fuel cell) 膜燃料电 盐燃料电 物燃料电 类型 电池 料电池 • 磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid池 fuel 池 池
燃料电池的组成
• 燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供 给系统，水管理系统，热管理系统以及控制系统 等几个子系统组成。
燃料电池工作原理
• 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电 极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给 燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 • 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子 （proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中， 被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流 后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电 子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程， 因此水是燃料电池唯一的排放物。 • 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部 输电，为一种 "发电机"。
PAFC的结构
• 由多节单电池按压滤 机方式组装构成电池 组。PAFC的工 作温 度一般为 200℃左右 ， 能量转化率约在 40%， 为保证电池工作稳定， 必须连续地排除废热。
2.3熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)
• MCFC属高温燃料电池，工作温度是 650~ 700℃。与低 温燃料电池相比，MCFC的本和效率很有竞争力，概括起 来有四大优势： • ① 在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在 阳 极反应室进行甲烷的重反应，重整反应到所需热量由 电池反应的余热提供； • ②MCFC的工作温度为650~700℃，其余热可用来压缩反 应气体以提高电池性能，可以用于供暖； • ③燃料重整时产生的CO 可以作为MCFC的燃料，且由于 MCFC为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威 胁； • ④催化剂为镍合金，不使用贵金属。
PAFC的工作原理
阴极反应： 阳极： ++2eH2→2H 1/2O2+2H++2e-→H O 2 CH4 +2H O→4H +CO 2 2 2 阳极反应： CH3OH+H2O →3H 2+CO 2 + -
H2→2H +2e 阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O 总反应 1/2O2+2H2 →H2O
效率
使用温度
60%~90%
60~120
37%~42% 43%~58%
160~220 60~120
50%~
600~1000
50%~65%
600~1000
2.1碱性燃料电池（AFC）
2.1.1 碱性染料电池简介 • 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间 任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 • 工作原理 • 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质， 阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应：O2+2H2 →2H2O • 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启 动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度 低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃 料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固 定发电装置。 • 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催 化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不 能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应 生成碳酸钾，降低电池的性能。
• 燃料电池（full Cell）是一种将持续供给的燃料和 氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的 电化学装置。 • 燃料电池在原理和结构上和普通电池（battery） 完全不同。燃料电池的活性物质是存储在电池之 外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电， 因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活 性物质一旦消耗完，电池的寿命就终止。
cell) 英文简称
电解质
AFC
PAFC
PEMFC
MCFC
SOFC
• 熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) (molten carbonate 氢氧化钾 质子渗透 固体氧化 磷酸 碳酸钾 fuel cell) 溶液 膜 物 天然气， 氢、甲醇、 天然气、 天然气、 燃料 纯氢 • 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) (proton exchange 煤气、沼 煤气、沼 天然气 membrane fuel 氢 cell) 气 气 • 固体氧化物燃料电池 (SOFC) (solid oxide fuel cell) 氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气
阳极反应： 2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应： O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应： O2+2H2 →2wk.baidu.com2O
图10－8 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）
2.2 磷酸燃料电池（PAFC）
• PAFC 是一种以磷酸为电解质的燃料电池 。 PAFC采用重 整天然气作燃料，空气作氧化剂，浸有浓磷酸的SiC 微孔 膜作电解质 ， Pt/C 作催化剂 ，工作温度 200℃ 。 • 磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）是以 浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负 电极的中温型燃料电池。可以在150～220℃工作。具有 电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易 被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 • PAFC是目前单机发电量最大的一种燃料电池。
燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和 外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。
图10－3 燃料电池的基本单元
燃料电池的分类
一、燃料电池的分类
1、按燃料电池的运行机理分。
分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2.1碱性燃料电池（AFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC） 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）
2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质
3. 按燃料类型分。
3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池
燃料电池的种类
燃料电池 碱性燃料 磷酸型燃 质子交换 熔融碳酸 固体氧化 • 碱性燃料电池（ AFC ）（ alkaline fuel cell) 膜燃料电 盐燃料电 物燃料电 类型 电池 料电池 • 磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid池 fuel 池 池
燃料电池的组成
• 燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供 给系统，水管理系统，热管理系统以及控制系统 等几个子系统组成。
燃料电池工作原理
• 燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电 极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给 燃料，氧气（或空气）由阴极进入电池。 • 电池经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成氢质子 （proton）与电子（electron），其中质子进入电解液中， 被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流 后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电 子，发生反应形成水分子。这正是水的电解反应的逆过程， 因此水是燃料电池唯一的排放物。 • 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部 输电，为一种 "发电机"。
PAFC的结构
• 由多节单电池按压滤 机方式组装构成电池 组。PAFC的工 作温 度一般为 200℃左右 ， 能量转化率约在 40%， 为保证电池工作稳定， 必须连续地排除废热。
2.3熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)
• MCFC属高温燃料电池，工作温度是 650~ 700℃。与低 温燃料电池相比，MCFC的本和效率很有竞争力，概括起 来有四大优势： • ① 在工作温度下，MCFC可以进行内部重整燃料，例如在 阳 极反应室进行甲烷的重反应，重整反应到所需热量由 电池反应的余热提供； • ②MCFC的工作温度为650~700℃，其余热可用来压缩反 应气体以提高电池性能，可以用于供暖； • ③燃料重整时产生的CO 可以作为MCFC的燃料，且由于 MCFC为高温燃料电池，不会受到CO的中毒催化剂的威 胁； • ④催化剂为镍合金，不使用贵金属。
PAFC的工作原理
阴极反应： 阳极： ++2eH2→2H 1/2O2+2H++2e-→H O 2 CH4 +2H O→4H +CO 2 2 2 阳极反应： CH3OH+H2O →3H 2+CO 2 + -
H2→2H +2e 阴极反应： 1/2O2+2H++2e- →H2O 总反应 1/2O2+2H2 →H2O
效率
使用温度
60%~90%
60~120
37%~42% 43%~58%
160~220 60~120
50%~
600~1000
50%~65%
600~1000
2.1碱性燃料电池（AFC）
2.1.1 碱性染料电池简介 • 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间 任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 • 工作原理 • 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质， 阳极反应：2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH总反应：O2+2H2 →2H2O • 碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启 动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度 低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃 料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固 定发电装置。 • 如同质子交换膜燃料电池一样，碱性燃料电池对能污染催 化剂的一氧化碳和其它杂质也非常敏感。此外，其原料不 能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应 生成碳酸钾，降低电池的性能。