单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,Page,*,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,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,中南大学冶金科学与工程学院,燃料电池,燃料电池概述,研究背景,全球能源消耗的增长,全球,CO,2,排放量持续增长,全球平均气温逐年攀升,气候变化带来灾难性后果,能源短缺,和,环境污染,是全球所面临的,巨大挑战,全球,CO,2,排放量,使用新能源,，,节能减排,已经成为大势所趋，清洁、环保的可再生能源将得到快速发展,过去十年，全球新能源领域投资总量,增长迅猛,全球新能源产业投资总量增长趋势,世界能源更替趋势,全球风力发电装机容量增长情况,全球光伏发电装机容量增长情况,国际能源消费经过了木材、煤、石油、天然气到太阳能,/,氢能的更替，整个更替过程使用的燃料,含碳量逐步降低,；,以,氢气,为燃料，不产生碳排放,节能、环保、绿色、可再生,氢能：发展趋势、各国发展战略,目前正研究通过光伏等制氢,燃料电池,利用氢气发电,氢能的最佳利用,国际研究前沿、热点,5,.1.,燃料电池,概述,5,.1.1,简介,(1),什么是燃料电池？,简单地说，燃料电池,1,(Fuel Cell,，简称,FC),是一种将存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置,。,作为一种新型化学电源，燃料电池是继火电、水电和核电之后的第四种发电方式与火力发电相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程是直接方式，如图 1-1 所示,(2),燃料电池发展过程中的重大事件,1839,年，格罗夫发明“气体伏打电池”，格罗夫也被称为“,燃料电池之父,”；,1889,年，蒙德和朗格尔改进氢氧“气体电池”并正式确定其名称为“燃料电池”；,1896,年，雅克研制成功第一个数百瓦（大约,300,瓦）的煤燃料电池；,1897,年，能斯特发明“能斯特物质”,-YSZ,（,85%ZrO,2,+15%Y,2,O,3,),该物质是目前广泛使用的高温固体氧化物燃料电池的电解质材料；,1899,年，施密特发明第一个空气扩散电极；,1959,年，培根和弗洛斯特研制成功,6KW,碱性燃料电池,系统,并用来驱动叉车、圆盘锯和电焊机；,1959,年，艾丽斯,-,查尔莫斯公司开发出第一辆碱性燃料电池拖拉机，可以推动,3000lb(1lb=0.4536kg),的重物；,1960,年，通用电气公司开发成功,质子交换膜燃料,电池；,1962,年，质子交换膜燃料电池应用于双子星座飞船；,1965,年，碱性燃料电池用于阿波罗登月飞船；,1967,年，通用汽车开发成功第一辆碱性燃料电池电动汽车,Electrovan,；,1970,年，科尔地什组装了第一辆碱性燃料电池,-,铅酸电池混合动力轿车；,1972,年，杜邦公司和格罗特发明了全氟磺酸质子交换膜；,1979,年，在美国纽约完成了,4.5MW,磷酸燃料电池,电厂的测试；,1986,年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（,LANL,）开发成功第一辆磷酸燃料电池公共汽车；,(2),燃料电池发展过程中的重大事件,1986,年，洛斯阿拉莫斯国家实验室开发成功第一辆磷酸燃料电池公共汽车；,1988,年，第一艘碱性燃料电池潜艇在德国出现；,1991,年，日本千叶县的,11MW,磷酸燃料电池试验电厂达到设计功率；,1993,年，巴拉德电力系统公司开发成功第一辆质子交换膜燃料电池公共汽车；,1996,年，美国加利福尼亚州的,2MW,熔融碳酸盐燃料电池,试验电厂开始供电；,-,(2),燃料电池发展过程中的重大事件,5,.1.2,燃料电池的构造,燃料电池,阴极,阳极,电解质,典型的燃料电池的构造,如右下图所示,在阳极（负极）上连续吹充气态燃料，如氢气在阴极（正极）上连续吹充氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，,为提高反应速率，电极,一般采用多孔材料各,种燃料电池的材料也都,有各自的特点,燃料电池的基本反应,5,.1.3,燃料电池与电池的区别,（,1,）相同点：将化学能转变为电能的装置，有许多相似之处。,（,2,）不同点：燃料电池是能量转换装置,电池是能量储存装置。,一次电池：,化学能储存在电池物质中,当电池放电电时,电池物质发生化学反应，直到反应物质全部反应消耗完毕，电池就再也发不出电了所以原电池所发出的最大电能等于参与电化学反应的化学物质完全反应时所产生的电能,二次电池：利用外部供给的电能，使电池反应向逆方向进行，再生成电化学反应物质从能量角度看，就是,将外部能量充给电池，使其再发电，实现反复使用的功能,燃料电池：从理论上讲,只要不断向其供给燃料,(,阳极反应物质，如,H,2,),及氧化剂,(,阴极反应物质，如,O,2,),，就可以连续不断地发电,因而其容量是无限的,.,实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电池有一定的寿命,严格地讲，燃料电池是,电化学能量发生器,，是以化学反应发电；一次电池是电化学,能量生产,装置，可一次性将化学能转变成电能；二次电池是电化学能量的,储存装置,，可将化学反应能与电能可逆转换。,5,.1.4,燃料电池的工作原理,虽然燃料电池的种类很多并且不同类型的燃料电池的电极反应各有不同，但都是由,阴极,阳极,电解质,这几个基本单元构成，其工作原理是一致的。,由于它是把,燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出,，所以被称为燃料电池。,它是,利用氢和氧生成水,的过程来产生电力的一种装置。,燃料电池,工作原理:,通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质(起反应的物质)-,燃料和氧化剂,促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。,具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。,工作时向负极供给燃料(氢H,2,)，向正极供给氧化剂(空气O,2,)。,氢在负极分解成正离子H+和电子e-。,氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在,正极上,，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。,燃料气（氢气,甲烷等）在阳极催化剂的作用下发生,氧化反应,，生成阳离子并给出自由电子；氧化物（通常为氧气）在阴极催化剂的作用下发生,还原反应,，得到电子并产生阴离子；阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上，生成反应产物并随未反应完全的反应物一起排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提供的电能。,下面以简单的酸性电解质氢氧燃料电池为例说明燃料电池的工作原理。,氢气作为燃料被通入燃料电池的阳极，发生如下氧化电极反应,H,2,+2H,2,O 2H,3,O,+,+2e,-,氢气在催化剂上被氧化成质子，与水分子结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。,电子通过电子导电的阳极向阴极方向运动，而水合质子则通过酸性电解质往阴极方向传递。在阴极上，氧气在电极上被还原，发生如下电极反应,O,2,+4H,3,O,+,+4e,-,6H,2,O,氧气分子在催化剂的作用下，结合从电解质传递过来的水合质子以及外电路传递过来的电子，生成水分子。总的电池反应为：,2H,2,+O,2,2H,2,O,从此可以看出，燃料电池是一个能量转化装置，只要外界源源不断地提供燃料和氧化剂，燃料电池就能持续发电。,从根本上讲，燃料电池与普通一次电池一样，是使电化学反应的两个电极半反应分别在阴极和阳极上发生，从而在外电路产生电流来发电的。所不同的是，普通一次电池，例如锌锰电池，是一个封闭体系，与外界只有能量交换而没有物质交换。换句话说，,电池本身既作为能量的转换场所也同时作为电极物质的储存容器，,当反应物消耗完时电池也就不能继续提供电能了。而燃料电池是一个,敞开体系,，与外界不仅有能量的交换，也存在物质的交换。外界为燃料电池提供反应所需的物质，并带走反应产物。从这种意义上讲，某些类型的电池也具有类似燃料电池的特征，例如锌空电池，空气由大气提供，不断更换锌电极可以使电池持续工作。,5,.1.5,燃料电池的类型和各类型的特点,燃料电池的种类很多，分类方法也有多种。表,5-1,的按电解质的种类可分为五种类型的燃料电池。,表5.1,燃料电池,分类及特点,燃料电池类型,碱性燃料电池,磷酸燃料电池,质子交换膜燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池,英文简称,AFC,PAFC,PEMFC,MCFC,SOFC,电解质,氢氧化钾溶液,磷酸,质子渗透膜,碳酸钾,固体氧化物,燃料,纯氢,天然气，氢,氢，甲醇，天然气,天然气，煤气，沼气,天然气，煤气，沼气,氧化剂,纯氧,空气,空气,空气,空气,效率,/%,6090,3742,4358,50,5065,使用温度,/,60120,160220,60120,6001000,6001000,燃,料,电,池,碱性燃料电池（,AFC,）,磷酸燃料电池（,PAFC,）,熔融碳酸盐燃料电池（,MCFC,）,固体氧化物燃料电池（,SOFC,）,质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）,H,2,/O,2,质子交换膜燃料电池,直接甲醇燃料电池（,DMFC,）,燃,料,电,池,工 作,温 度,低温燃料电池,高温燃料电池,AFC,PEMFC,PAFC,MCFC,SOFC,几种特殊类型的燃料电池,直接甲醇燃料电池,(DMFC),再生燃料电池,(RFC),直接碳燃料电池,(DCFC),特,殊,燃,料,电,池,几种特殊类型的燃料电池,直接甲醇燃料电池,(DMFC),再生燃料电池,(RFC),直接碳燃料电池,(DCFC),特,殊,燃,料,电,池,燃料是液态的,甲醇，发展迅,速，商业潜力,大,几种特殊类型的燃料电池,直接甲醇燃料电池,(DMFC),再生燃料电池,(RFC),直接碳燃料电池,(DCFC),特,殊,燃,料,电,池,以氢为基础的利用可再生能源的闭合循环发电系统,几种特殊类型的燃料电池,直接甲醇燃料电池,(DMFC),再生燃料电池,(RFC),直接碳燃料电池,(DCFC),特,殊,燃,料,电,池,唯一使用固,体燃料的燃,料电池,5,.1.6,燃料电池的特性,特,性,优点,存在,问题,燃料来源广泛,高效率,可靠性高,良好的环境效应,良好的操作性能,灵活性高,发展潜力大,(,1),高效率,在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能,而是直接发电,不受卡诺热机效率的限制,。,理论上讲，燃料电池可将燃料能量的,90%,转化为可利用的电和热，实际效率可望在,80%,以上,。这样的高效率是史无前例的。,燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。,封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换,比能量不会随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延长,其输出能量也越多。,燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产生,热水和蒸汽,。其电热输出比约为,1.0,，而汽轮机为,0.5,。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的,2,倍。,（,2,）可靠性,与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠；,电池组合是模块结构,维修方便；处于额定功率以上过载运行时,它也能承受而效率变化不大；当负载有变化时,它的响应速度也快。,燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。,（,3,）良好的环境效益,当今世界的环境问题已经威胁到了人类的生存和发展。据统计，本世纪经历了两次世界大战，但是因为环境污染造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。而环境污染的发生，大多数是由于燃料的使用，尤其是各种燃料的燃烧过程。因而，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发,清洁能源技术,。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。,燃料电池发电厂排放的气体