燃料电池的分类及发展概述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,燃料电池分类及发展,1,燃料电池的分类及发展概述,第1页,燃料电池基本原理,燃料电池特点,燃料电池能量转换效率高，不受卡诺效率限制。,清洁、环境保护。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有,SO,x,、,NO,x,气体和固体粉尘排放。,可靠性和操作性良好，噪声低。,所用燃料广泛，占地面积小，建厂含有很大灵活性。,2,燃料电池的分类及发展概述,第2页,燃料电池组成和工作原理,燃料电池基本组成：,阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中电解质有不一样种类。,图,10,3,燃料电池基本单元,3,燃料电池的分类及发展概述,第3页,燃料电池工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）,（,1,）氢气在阳极催化剂作用下，发生以下阳极反应：,（,2,）氢离子穿过电解质抵达阴极。电子则经过外电路及负,载也抵达阴极。在阴极催化剂作用下，生成水反应式为：,（,3,）综合起来，氢氧燃料电池中总电池反应为：,伴伴随电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气供给，该燃料电池就会连续不停地产生电能。,4,燃料电池的分类及发展概述,第4页,燃料电池中催化作用,燃料电池中电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移一个作用，普通发生在电极与电解质分界面上。,催化剂是一类可产生电催化作用物质。电催化剂能够分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离催化特征，使得人们能够更加好地优选不一样催化剂。,*,评价催化剂主要技术指标为稳定性、电催化活性、电,导率和经济性。,5,燃料电池的分类及发展概述,第5页,燃料电池分类,一、燃料电池分类,1,、按燃料电池运行机理分。,分为酸性燃料电池和碱性燃料电池,2.,按电解质种类不一样，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质,2.1,碱性燃料电池（,AFC,）、,2.2,质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）,2.3,磷酸燃料电池（,PAFC,）、,2.4,熔融碳酸盐燃料电池,(MCFC),、,2.5,固体氧化物燃料电池（,SOFC,）、,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,6,燃料电池的分类及发展概述,第6页,燃料电池可依据其工作温度、所用燃料种类和电解质类型进行分类。按照工作温度，燃料电池可分为高、中、低温型三类。按燃料起源，燃料电池可分为直接式燃料电池,(,如直接甲醇燃料电池,),，间接式燃料电池,(,如甲醇经过重整器产生氢气，然后以氢气为燃料电池燃料,),和再生类型进行分类。,依据电解质不一样，可将燃料电池分为碱性燃料电池（,AFC,）、磷酸型燃料电池（,PAFC,）、熔融碳酸盐燃料电池（,MCFC,）、固体氧化物燃料电池（,SOFC,）及质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）等。,7,燃料电池的分类及发展概述,第7页,8,燃料电池的分类及发展概述,第8页,2.1,碱性燃料电池（,AFC,）,2.1.1,碱性染料电池介绍,碱性燃料电池是该技术发展最快一个电池，主要为空间任务，包含航天飞机提供动力和饮用水。,负极反应：,正极反应：,碱性燃料电池工作温度大约,80,。所以，它们开启也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池密度低十来倍，在汽车中使用显得相当拙笨。不过，它们是燃料电池中生产成本最低一个电池，所以可用于小型固定发电装置。,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一氧化碳和其它杂质也非常铭感。另外，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，降低电池性能。,9,燃料电池的分类及发展概述,第9页,图,10,8,碱性燃料电池结构（自由电解质型）,10,燃料电池的分类及发展概述,第10页,2,1,2 AFC,优点是：,效率高，因为氧在碱性介质中还原反应比其它酸性介质高；,因为是碱性介质，能够用非铂催化剂；,因工作温度低，碱性介质，所以能够采取镍板做双极板。,2,1.3 AFC,缺点是：,因为电解质为碱性，易与,CO,2,生成,K,2,CO,3,、,Na,2,CO,3,沉淀，严重影响电池性能，所以必须除去,CO,2,，这给其在常规环境中应用带来很大困难。,电池水平衡问题很复杂，影响电池稳定性。,11,燃料电池的分类及发展概述,第11页,2.1.4,、碱性染料电池发展现实状况,碱性燃料电池（,Alkaline Fuel Cell,，碱性燃料电池）是最早开发并取得成功燃料电池，早在,20,世纪,60,年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电池采取,KOH,等碱性溶液为电解质，用,H2,或,NH3,、,N2H2,裂解,H2,为燃料，空气或,O2,为氧化剂，使用贵金属（如,Pt,、,Ag,等）和过渡金属（如,Ni,等）或者由它们组成合金等作为催化剂。碱性燃料电池含有稳定、耐久等优点，含有较高电效率（,60%,90%,），迄今为止，它仍是最适合于太空使用燃料电池。,碱性燃料电池分为中温（工作温度约为,523K,）和低温（工作温度低于,373K,）两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上电源，经过几十年使用，被证实为安全可靠太空电源；低温碱性燃料电池是今后开发重点，其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。,碱性燃料电池与其它燃料电池相比，碱性燃料电池系统含有较高电效率（,60%,90%,），能够在室温下快速开启，并快速到达额定负荷，而且电池本体材料选择广泛，电池造价较低。所以，碱性燃料电池作为高效且价格低廉成熟技术，若应用于便携式电源和交通工具用动力电源，含有一定发展和应用前景。,碱性燃料在实际使用中，往往采取空气作为氧化剂，空气中,CO2,会毒害碱性电解质生成碳酸根离子，对电池效率和使用寿命造成影响，使得碱性燃料电池系统需要复杂,CO2,脱除装置，而且只能用纯,H2,为燃料；另外，碱性燃料电池催化剂普通采取贵金属,Pt,才能获取电池高性能，且需要一个控制体系保持电解质浓度恒定。这些造成碱性燃料电池系统复杂化，成本增高，造成其不适于民用、与其它燃料电池相比竞争力降低。,12,燃料电池的分类及发展概述,第12页,20,世纪,90,年代以来，众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力可行性。因为低温碱性燃料电池存在易受,CO,2,毒化等缺点，使其在汽车上应用受到限制，所以，除少数机构还在研究碱性燃料电池外，大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）和直接甲醇燃料电池（,DMFC,）上寻求突破。然而,PEMFC,和,DMFC,都以贵金属,Pt,为主催化剂，一旦,PEMFC,和,DMFC,到达真正批量生产阶段，将被迫面临,Pt,匮乏。碱性燃料电池能够不采取贵金属作催化剂，假如采取,CO2,过滤器或碱液循环等伎俩去除,CO,2,，克服其致命弱点后，用于汽车碱性燃料电池将含有现实意义。所以，碱性燃料电池领域近年研究重点是,CO,2,毒化处理方法和替换贵金属催化剂。,13,燃料电池的分类及发展概述,第13页,2.2,质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）,2.2,1,质子交换膜燃料电池介绍,质子交换膜燃料电池,(proton exchange membrane fuel cell,，英文简称,PEMFC),是一个燃料电池，在原理上相当于水电解“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化场所，阴极为氧化剂还原场所，两极都含有加速电极电化学反应催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。,两电极反应分别为：,阳极,(,负极,),：,2H,2,-4e=4H+,阴极,(,正极,),：,O,2,+4e+4H+=2H,2,O,注意全部电子,e,都省略了负号上标。因为质子交换膜只能传导质子，所以氢质子可直接穿过质子交换膜抵达阴极，而电子只能经过外电路才能抵达阴极。当电子经过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为,1.23V,。也即每一单电池发电电压理论上限为,1.23V,。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在,0.5,1V,之间。将多个单电池层叠组合就能组成输出电压满足实际负载需要燃料电池堆,(,简称电堆,),。,14,燃料电池的分类及发展概述,第14页,15,燃料电池的分类及发展概述,第15页,PEMFC,电极常被称,为膜电极组件，它是,指质子交换膜和其两,侧各一片多孔气体扩,散电极（涂有催化剂,多孔碳布）组成,阴、阳极和电解质,复合体。,图,10,19,膜电极结构示意图,16,燃料电池的分类及发展概述,第16页,电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件,(MEA),交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即组成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所表示。叠合压紧时应确保气体主通道对正方便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池双极板，经双极板导流均匀分配至电极，经过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。,电堆关键是,MEA,组件和双极板。,MEA,是将两张喷涂有,Nafion,溶液及,Pt,催化剂碳纤维纸电极分别置于经预处理质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板惯用石墨板材料制作，含有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。惯用石墨双极板厚度约,2,3.7mm,，经铣床加工成含有一定形状导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能亲密相关。,17,燃料电池的分类及发展概述,第17页,2.2.2,质子交换膜燃料电池优点,质子交换膜燃料电池含有以下优点：,其发电过程不包括氢氧燃烧，因而不受卡诺循环限制，能量转换率高；,发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一个清洁、高效绿色环境保护电源。,质子交换膜燃料电池工作温度低、开启快、比功率高、结构简单、操作方便等,被公认为电动汽车、固定发电站等首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极抵达阴极，与外电路电子转移组成回路，向外界提供电流，所以质子交换膜性能对燃料电池性能起着非常主要作用，它好坏直接影响电池使用寿命。,18,燃料电池的分类及发展概述,第18页,质子交换类膜存在下述缺点：,(1),制作困难、成本高，全氟物质合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中水解、磺化轻易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，造成成本较高；,(2),对温度和含水量要求高，,Nafion,系列膜最正确工作温度为,70,90,，超出此温度会使其含水量急剧降低，导电性快速下降，妨碍了经过适当提升工作温度来提升电极反应速度和克服催化剂中毒难题；,(3),一些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适适用作直接甲醇燃料电池,(DMFC),质子交换膜。,19,燃料电池的分类及发展概述,第19页,20,燃料电池的分类及发展概述,第20页,质子交换膜燃料电池应用,质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其辽阔应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已到达产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统研究也取得了一定结果。,采取质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提升主要装备及建筑电气系统供电可靠性，使主要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电灵活发供电系统转变，极大地提升建筑物智能化程度、节能水平和环境保护效益。,21,燃料电池的分类及发展概述,第21页,2.3,磷酸燃料电池（,PAFC,）,2.3.1,磷酸燃料电池工作原理,磷酸燃料电池（,Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC,）是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化气体扩散电极为正、负电极中温型燃料电池。能够在,150,220,工作。含有电解质稳定、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，是一个靠近商品化民用燃料电池。,燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成,H2,、,CO,和水蒸气混合物，,CO,和水深入在移位反应器中经触媒剂转化成,H2,和,CO2,。经过如此处理后燃料气体进入燃料堆负极,(,燃料极,),，同时将氧输送到燃料堆正极,(,空气极,),进行化学反应，借助触媒剂作用快速产生电能和热能。,阳极反应：,H2+2e-2H+,阴极反应：,1/2O2+2H+H2O+2e-,总反应：,1/2O2+H2 H2O,22,燃料电池的分类及发展概述,第22页,电池本体,(,即单个电池,),输出电压在无负荷状态下，为,1V,程度。提升电流密度，通常设计以,0.60.7V/,单个电池,为额定值。无负荷状态与实际电压差作为热能而放出。而且，电池本体发电效率不决定于电池面积，所以，燃料电池本质上即使是下容量，也是高效率。实际使用上是按输出需要，把数十个以至数百个电池本体串联而积成为电池组合体,(stack),。,23,燃料电池的分类及发展概述,第23页,2.3.2,磷酸燃料电池特点,2.3.2.1,磷酸燃料电池特点,排气清洁,燃料并不燃烧，就发电，所以几乎完全没有,NOX,SOX,。污染大气物质参考图,:,24,燃料电池的分类及发展概述,第24页,.,发电效率高,从来内燃机发电装置时燃烧燃料驱动涡轮等机械能使发电机转换出电能，能量损耗大。不过，燃料电池发电上是把燃料化学能直接变换成电能，所以能量变换损失少。结果发电效率远高于从来发电,25,燃料电池的分类及发展概述,第25页,.,低噪音，低振动,不伴有旋转机械发电方式，所以是在低噪音、低振动下运转。噪音比较如图所表示：,26,燃料电池的分类及发展概述,第26页,2.3.3,磷酸燃料电池应用,PAFC,作为一个中低温型（工作温度,180-210,）燃料电池，不但含有发电效率高、清洁、适应多样燃料、无噪音、运转费低、设置场所限制少、大气压运转轻易操作、安全性优良、部分负荷特征好等特点，而且还能够热水形式回收大部分热量。,PAFC,用于发电厂包含两种情形：分散型发电厂，容量在,10-20MW,之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量在,100MW,以上，能够作为中等规模热电厂。,PAFC,电厂比起普通电厂含有以下优点：即使在发电负荷比较低时，依然保持高发电效率；因为采取模块结构，现场安装简单，省时，而且电厂扩容轻易。,27,燃料电池的分类及发展概述,第27页,2.4,熔融碳酸燃料电池（,MCFC,）,工作温度可达,650,。这种电池效率很高，但材料需求要求也高。,溶化碳酸盐燃料电池与上述讨论燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化锂钾碳酸盐就是使用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，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后经过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。,阳极反应：,CO,3,2,-+H,2,H,2,O+CO,2,+2e-,阴极反应：,CO,2,+1/2 O,2,+2e-CO,3,2-,28,燃料电池的分类及发展概述,第28页,这种电池工作高温能在内部重整诸如天然气和石油碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。在这么高温度下，尽管硫依然是一个问题，而一氧化碳污染却不是问题了，且白金催化剂可用廉价一类镍金属代替，其产生多出热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池效率最高可达,60%,。假如其浪费热量能够加以利用，其潜在效率可高达,80%,。,不过，高温也会带来一些问题。这种电池需要较长时间方能到达工作温度，所以不能用于交通运输，其电解质温度和腐蚀特征表明它们用于家庭发电不太安全。不过，其较高发电效率对于大规模工业加工和发电气轮机则含有较大吸引力。当前示范电池可产生高达,2 MW,电力，,50-100 MW,容量电力设计业已提到议事日程。,29,燃料电池的分类及发展概述,第29页,2.5,固体氧燃料电池（,SOFC,）,2.5.1,固体氧化物燃料电池介绍,固体氧化物燃料电池,(Solid Oxide Fuel Cell,，简称,SOFC),属于第三代燃料电池，是一个在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中化学能高效、环境友好地转化成电能全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池,(PEMFC),一样得到广泛普及应用一个燃料电池。采取是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采取对应材料和过程处理技术，因为电池工作温度约为,1000,。固态氧化物燃料电池工作温度比溶化碳酸盐燃料电池温度还要高，它们使用诸如用氧化钇稳定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。,在这种燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳混合物）使便产生能量。阳极生成电子经过外部电路移动返回到阴极上，降低进入氧，从而完成循环。,阳极反应：,H,2,+O2-H,2,O+2e-CO+O2-CO,2,+2e-,阴极反应,:O,2,+4 e-2 O2-,30,燃料电池的分类及发展概述,第30页,对于溶化碳酸盐燃料电池而言，高温意即这种电池能抵抗一氧化碳污染，正如上式显示那样，一氧化碳会随时氧化成二氧化碳。这便省却了外部重整从燃料中提取氢，而且这种电池还能够再直接使用石油或天然气。固态氧化物燃料电池对当前全部燃料电池都有硫污染含有最大耐受性。因为它们使用固态电解质，这种电池比溶化碳酸盐燃料电池更稳定，然而它们用来承受所产生高温建造材料却要昂贵得多。,31,燃料电池的分类及发展概述,第31页,2.5.3,特点,SOFC,与第一代燃料电池,(,磷酸型燃料电池，简称,PAFC),、第二代燃料电池,(,熔融碳酸盐燃料电池，简称,MCFC),相比它有以下优点：,较高电流密度和功率密度；,阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；,可直接使用氢气、烃类,(,甲烷,),、甲醇等作燃料，而无须使用贵金属作催化剂；,防止了中、低温燃料电池酸碱电解质或熔盐电解质腐蚀及封接问题；,能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达,80,左右，是一个清洁高效能源系统；,广泛采取陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，含有全固态结构；,陶瓷电解质要求中、高温运行,(600,1000),，加紧了电池反应进行，还能够实现各种碳氢燃料气体内部还原，简化了设备。,32,燃料电池的分类及发展概述,第32页,2.5.4,固体氧化物燃料电池,发展及应用,固体氧化物燃料电池开发始于,20,世纪,40,年代，不过在,80,年代以后其研究才得到蓬勃发展。早期开发出来,SOFC,工作温度较高，普通在,800,1000,。当前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池，其工作温度普通在,800,左右。一些国家科学家也正在努力开发低温,SOFC,，其工作温度更能够降低至,650,700,。工作温度深入降低，使得,SOFC,实际应用成为可能。,固态氧化物燃料电池效率约为,60%,左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也含有为车辆提供备用动力潜力。,固体氧化物燃料电池开发研究以及商业化，是处理当前世界能源短缺和环境污染主要伎俩，受到了世界主要国家普遍重视，包含美国、欧洲、日本、澳大利来、韩国等。,33,燃料电池的分类及发展概述,第33页,3.1.,氢燃料电池,3.1.1,氢燃料电池工作原理,氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量电池。其基本原理是电解水逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢经过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子经过外部负载抵达阳极。,34,燃料电池的分类及发展概述,第34页,3.1.2,氢燃料电池应用,在汽车上应用,a.,氢燃料电池车工作原理是：,将氢气送到燃料电池阳极板,(,负极,),，经过催化剂,(,铂,),作用，氢原子中一个电子被分离出来，失去电子氢离子,(,质子,),穿过质子交换膜，抵达燃料电池阴极板,(,正极,),，而电子是不能经过质子交换膜，这个电子，只能经外部电路，抵达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子抵达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。因为供给给阴极板氧，能够从空气中取得，所以只要不停地给阳极板供给氢，给阴极板供给空气，并及时把水,(,蒸气,),带走，就能够不停地提供电能。燃料电池发出电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达,60-80%,，为内燃机,2,3,倍。燃料电池燃料是氢和氧，生成物是水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。,35,燃料电池的分类及发展概述,第35页,b.,氢燃料电池汽车优势分析,氢作为汽车代用燃料含有良好行进加速性、燃料适应性、低温起动性好、超低排放、全工况高效率等优点。,我国氢起源极为丰富，技术水平也有了一定基础，水电解制氢、生物质气化制氢等制氢方法已形成规模。其中低价电电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备主要方法。另外，用氢代替煤和石油，不需对现有技术装备作重大改造，现在内燃机稍加改装即可使用，这能够降低氢能应用成本。,氢燃烧产物是水，不会污染环境，真正实现了零污染目标。,废气组成,燃油汽车,氢燃料电池汽车,CO,17.0g/km,0,HC,2.7g/km,0,NOx,0.74g/km,微量,CO2,320g/km,0,36,燃料电池的分类及发展概述,第36页,c.,氢燃料电池在汽车应用上劣势分析,（,1,）生产成本高：当前，氢起源普通是天然气和沼气。另外，能够经过电解水将氢和氧分离而提取氢。而电能则能够经过煤或核反应堆发电来产生。因为氢提取需要消耗其它能源，所以，假如使用煤、天然气、沼气等碳氢燃料来提取氢，则会排出造成温室效应气体。,（,2,）能量密度小且储运不便：氢燃料储存困难，有泄漏和气化问题，包含爆燃、回火、早燃等问题有待处理。,37,燃料电池的分类及发展概述,第37页,38,燃料电池的分类及发展概述,第38页,在飞机上应用,a.应用历史,波音企业于4月3日成功试飞氢燃料电池为动力源一架小型飞机。波音企业称这在世界航空史上尚属首次,预示航空工业未来愈加环境保护。但波音认可，这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。,波音企业于2月至3月3次在西班牙奥卡尼亚镇进行试飞氢燃料电池飞机。小型飞机起飞及爬升过程使用传统电池与氢燃料电池提供混合电力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飞机切断传统电池电源,只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟,时速约100公里。这一技术对波音企业意义重大,也让航空工业未来“充满绿色希望”。,39,燃料电池的分类及发展概述,第39页,b.技术局限性,在燃料价格上涨、环境污染与全球变暖情况下，对更清洁、更安全、效率更高交通工具需求快速增加。,氢燃料电池可认为小型飞机提供飞行动力，但不太可能为大型客机提供主要动力。,这一技术可能为大型飞机提供辅助动力，但这需要技术突破。波音企业说，将继续开发氢燃料电池潜力，以改善环境。,国际能源机构说，推广使用氢气和氢燃料电池，可降低石油、天然气、煤炭这三种可产生温室气体能源消耗。,40,燃料电池的分类及发展概述,第40页,3.2,甲烷燃料电池,甲烷燃料电池原理,甲烷燃料电池是以甲烷和氧气为原料化学电源，该电池用金属铂片插入,KOH,溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气，将反应产生化学能转变为电能装置。,负极：,CH,4,+10OH-8e-,CO,3,2-+7H2O,正极：,O,2,+4e-+2H,2,O,4OH-,离子方程式为：,CH,4,+2O,2,+2OH-,CO,3,2-+3H,2,O,总反应方程式为：,CH,4,+2O,2,+2KOH,K,2,CO,3,+3H,2,O,1.,伴随电池不停放电，电解质溶液碱性减小；,2.,通常情况下，甲烷燃料电池能量率大于甲烷燃烧能量利用率。,41,燃料电池的分类及发展概述,第41页,甲烷燃料电池开发应用,甲烷起源丰富,在阳极反应方式各种多样,含有不一样特点,以甲烷为燃料固体氧化物燃料电池适合用于不一样场所,所以甲烷作燃料应用于,SOFC,含有很大发展前景。,甲烷作燃料依旧存在许多难题,:,阳极积碳问题至今没有很好处理,;,内部重整过程造成各种气体共存于阳极,反应纷繁复杂,反应机理和动力学行为难以把握,;,蒸汽重整过程是猛烈吸热反应,而部分氧化过程是放热反应等等,所以深入开发新阳极材料,使其能够有效控制阳极反应过程,以实现热效应匹配和热平衡,从而降低电池热应力,并提升电池效率,降低阳极积碳产生,提升电池寿命,这些都是以甲烷为燃料,SOFC,亟待处理问题。,42,燃料电池的分类及发展概述,第42页,3.3,甲醇燃料电池,3.3.1,电池操作原理直接甲醇燃料电池使用液态甲醇,(methanol,，,CH3OH),作燃料。它发电关键是所谓膜电极组,(MEA,，,Membrane Electrode Assembly),。,MEA,包含阳极、阴极与隔离阴阳两极高分子薄膜。方程式,(1),(3),是在阴、阳两个电极电化学反应。甲醇在阳极因电化学反应，氧化产生氢离子与电子如,(1),式。所产生锂离子透过具离子传导功效高分子薄膜，传递到阴极。所产生电子流经外部电路传到阴极。在阴极，空气中氧气便与传递到阴极氢离子与电子反应，还原成水如,(2),式。总反应便是甲醇与氧反应生成水与二氧化碳如,(3),式。,43,燃料电池的分类及发展概述,第43页,3.3.2,电池结构与组成他阳极或是阴极包含：,(a),扩散层,(DL,，,DiffusionLayer),，,(b),微孔层,(MPL,，,Micro Porous Layer),，,(c),触媒层。,扩散层主要功效是让反应物,(,阳极甲醇、阴极氧气,),由扩散层能够均匀地扩散到触媒层，同时能将触媒层电流导出或导入。它是由孔隙度很大，导电度高碳纸所组成。为了预防水在碳纸里面累积，碳纸内碳纤维表层涂有疏水性很高铁弗龙,(Teflon),。,微孔层功效是预防扩散层淹水，并将让触媒层电流导出或导入。它是由孔隙度小、导电度高碳粉所组成。这碳粉层内有含量很高疏水性铁弗龙。,触媒层是由表面含有铂金属,(Pt,，,platinum),碳粉和含有质子传导功效高分子,(Nafion),所组成。铂金属平均颗粒约在,2,5nm,，铂金属因奈米化而提升它反应表面积。高分子除了传导质子之外，它并作为黏结剂将触媒固定在电极上。隔离阴、阳两极是质子交换膜，这层交换膜当前是由,Nafion,所组成。,44,燃料电池的分类及发展概述,第44页,3.3.3,电池组与系统直接甲醇燃料电池理论输出电压，在标准状态,(25,、,1,大气压下,),是,1.21V,，当前实际能输出电压约在,0.3,0.4V,。然而各种电子产品电压远大于单一电池输出电压，如手机需,3.5V,，电脑需,10,20V,。电池必须串联成电池组,(cellstack),才能到达电子产品所需电压。图,3,是各种电池串联增压方式。,(a),是单一电池；,(b),是传统叠堆式电池组，这种电池组合优点是电池内阻,(R),小，因电池内阻所造成电压损失,(,内阻电压损失,=,电流,I,内阻,R),很小，适合大电流电池；,(c),是单电池配合增压器,(DC,DConverter),，电压增压器能够将单电池低电压倍增到所需要电压，若所需要增压幅度太大，它能量转换效率将因而减低；,(d),平面式串连电池组，这种平面组适当合许多外型扁平电子产品，不过它内阻较叠堆式电池组要大很多，适合小电流电池；,(e),叠堆平面混合式电池组，择中,(b),与,(d),优缺点。,45,燃料电池的分类及发展概述,第45页,3.3.4,应用范围,国际间正在研发或展示中燃料电池有许各种，包含：直接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池,(PEMFC,，,Proton Exchange Membrane Fuel Cel1),、碱性燃料电池,(AFC,，,Alkaline Fuel Cell),、磷酸燃料电池,(PAFC,，,Phosphoric AcidFuel Cel1),、熔融碳酸碱燃料电池,(MCFC,，,MoltenCarbonate Fuel Cell),、固态氧化物燃料电池,(SOFC,，,Solid Oxide Fuel Cell),以及生化燃料电池,(MFC,，,Microbial Fuel Gell),。图,5,是各种燃料电池大致发展功率范围与电池操作温度范围。生化燃料电池使用微生物或酵素作为电极，当前处于早期纯研发阶段，还未达电子产品所须发电功率。当前较为靠近商业化燃料电池系统是直接甲醇燃料电池与质子交换膜燃料电池。熔融碳酸碱燃料电池与固态氧化物燃料电池已经有分散式发电机示范展示。,46,燃料电池的分类及发展概述,第46页,图,6,是燃料电池各种可能应用范围与所需发电功率。直接甲醇燃料电池使用液态甲醇，所以燃料储存、携带方便。不过它输出功率不高，所以主要是发展作为,3C,小型电子产品，如手机、数位相机、光碟放映机、笔记型电脑、小型可携式发电机携带电源。输出功率约在数瓦至数十瓦之间。当前直接甲醇燃料电池在,3C,小型电子产品开发中，仍以日本企业最为主动。,47,燃料电池的分类及发展概述,第47页,笔记型电脑用直接甲醇燃料电池能够粗分成两个发展方向，一是叠堆电池组采取主动式进料,(,如,INEC,、,Sanyo,、,Toshiba,、,Samsung),，另一是平面电池组采取被动式进料,(,如,Fujitsu,、,Hitachi),。这些燃料电池功率约在,20W,上下，燃料电池均搭配电脑内二次锂电池混合供电。当前发展均采取外挂型，也就是在功效上，燃料电池仅取代笔记型电脑直流电源供给器，笔记型电脑依然配置二次锂电池，所以在本身设计并没有作任何变更。未来发展势必会将电池整合到电脑内。,48,燃料电池的分类及发展概述,第48页,3.4,乙醇燃料电池,碱性乙醇燃料电池优势：,易储存，易推广：与,H2,、,CO,、,CH3,等气体燃料电池燃料相比，乙醇是液体，易储存，尤其是无需在现有公路交通体系下“另起炉灶”,建设耗资巨大气体燃料补给站（加气站），只要在现有加油站基础上，稍加改动即可完成产业化目标。,乙醇燃料工业生产技术完善，如可由煤炭加水制成，或由含有纤维素“农业剩下废物”水解发酵得到。,乙醇（就是俗称酒精），基本无毒，而且有特殊气味；所以一旦泄漏对生物和环境危害很小，而且轻易被发觉。,49,燃料电池的分类及发展概述,第49页,二、燃料电池特点,燃料电池原理和特点 燃料电池是靠氢氧结合成水反应来发电，因而不会产生氮氧化物（,NOX,）和碳氢化合物（,HC,）等易对空气造成污染物质。它由三部分组成：阴极、阳极和电解液。,燃料电池有着几个独特性质：,1,燃料电池在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。,2,燃料电池所能够产生电能只和燃料供给相关，只要供给燃料就能够产生电能，其放电是连续进行。,3,燃料电池本体质量和体积并不大，但需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和从属设备才能取得氢气，而这些燃料储存装置或燃料转换装置和从属设备质量和体积远远超出燃料电池本身。,50,燃料电池的分类及发展概述,第50页,三、燃料电池历史,燃料电池历史能够追溯到第,19,世纪英国法官和科学家,William Robert Grove,爵士工作。,1839,年，,Grove,所进行电解作用试验,使用电将水分解成氢和氧,是人们以后称之为燃料电池第一个装置。,接下来,燃料电池历史主要一章是由剑桥大学工程师,Francis Thomas Bacon,博士完成。,1932,年，,Bacon,想到了,Mond,和,Langer,创造装置，并对其原来设计作了屡次修改，包含用比较廉价镍网代替白金电极,以及用不易腐蚀电极硫酸电解质代替碱性氢氧化钾。,Bacon,将这种装置叫做,Bacon,电池，它实际上就是第一个碱性燃料电池（,alkaline fuel cell,AFC,）。,不过，在经历,27,年后，,Bacon,才真正制造出能工作燃料电池。,1959,年，他生产出一台能足够供焊机使用,5 kW,机器。很快，人们很快发觉，除,Bacon,之外，,Allis-Chalmers,企业农业机械生产商,Harry Karl Ihrig,也在这一年晚期制造出第一台以燃料电池为动力车辆。将,1008,块他生产这种电池连在一起，这种能产生,15 kW,燃料电池组便能为一台,20,马力拖拉机供电。上述发展为今天人们所知燃料电池商业化奠定了基础。,51,燃料电池的分类及发展概述,第51页,燃料电池当代发展史能够论为起始于,20,世纪,60,年代早期。当初，美国政府新机构国家航空和宇宙航行局（,NASA,）正寻找为其即将进行一系列无人航天飞行提供动力方法。因为使用干电池太重，太阳能价格昂贵，而核能又太危险，,NASA,业已排除这几个现有能源，正着手探索其它处理方法。燃料电池恰好吸引了他们视线，,NASA,便资助了一系列研究协议，从事开发实用燃料电池设计。,这种研究取得了第一个质子交换膜（,Proton Exchange Membrane,PEM,）。,1955,年，就职于通用电器企业（,GE,）化学家,Willard Thomas Grubb,深入改进了原来燃料电池设计，使用磺化聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，另一位,GE,化学家,Leonard Niedrach,创造了一个将白金存放在这种膜山上方法，从而制造出人们所知“,Grubb-Niedrach,燃料电池”。今后，,GE,继续与,NASA,合作开发这一技术，终于使其在,Gemini,空间项目中得到应用。这便是第一次商业化使用燃料电池。,52,燃料电池的分类及发展概述,第52页,20,世纪早期，飞机制造商,Pratt&Whitney,取得使用,Bacon,碱性燃料电池专利执照，并着手对原来设计进行修改，试图减轻其重量。,Pratt&Whitney,成功地开发了一个电池，其使用寿命比,GE,质子交换膜寿命长得多。正因为如此，,Pratt&Whitney,取得了,NASA,几项协议，为其阿波罗航天飞机提供这种燃料电池。从此，这种碱性电池便用于随即大多数飞行任务，包含航天飞机飞行。使用燃料电池作为能源另一好处就是它能产生可饮用水作为副产品。尽管在空间应用方面取得了令人感兴趣发展，然而截至当前在地面应用方面却有鲜为人知进展。,1973,年石油禁运引发了人们对燃料电池动力在地面应用重新兴趣，因为许多政府期望降低对石油进口依赖性。不计其数企业和政府部门开始认真地研究处理燃料电池大规模商业化障碍方法。在整个,20,世纪,70,年代和,80,年代，大量研究工作都致力于开发所需材料，探索最正确燃料源，以及快速降低这种异乎寻常技术成本。,最终，直到,20,世纪,90,年代，也就是,Grove,试验之后,150,多年，正如第一个燃料电池揭开其面纱那样，一个廉价，清洁，可再生能源最终变成了事实。在这十年中，技术上突破包含加拿大企业,Ballard,在,1993,年推出第一辆以燃料电池为动力车辆。二年后，,Ballard,和,Daimler Benz,企业都生产出每升,1 kW,燃料电池组。,53,燃料电池的分