应用化学3.4燃料电池详解.pptVIP

燃料电池及燃料电池电动车 内 容 提 要 燃料电池(Fuel Cell)的基本原理及组成 燃料电池的分类 质子交换膜燃料电池的特点及研发应用现状 燃料电池的发展趋势 燃料电池汽车基本结构及特点 燃料电池汽车的研发进展 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置。 自1839年G．R．Grove建造世界上第一个燃料电池以来，燃料电池已经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴趣的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。 燃料电池的首次实际应用是在1960年作为宇宙飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展，60～70年代集中研究航空、航天方面用的燃料电池，80年代后期重点研究地面用的燃料电池。 世界上美国、苏联、加拿大、日本等国家从那时起都投人了很大力量进行研究和开发。至今，已研制成了从几瓦的小功率燃料电池到兆瓦级的发电站的燃料电池样机 1.1 燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理 燃料电池通过氧与氢（或其他燃料）结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。 卡诺循环原理 卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程，卡诺循环包括四个步骤: 等温吸热， 绝热膨胀，等温放热，绝热压缩。即理想气体从状态1(P1，V1，T1)等温吸热到状态2(P2，V2，T2)，再从状态2绝热膨胀到状态3(P3，V3，T3)，此后，从状态3等温放热到状态4(P4，V4，T4)，最后从状态4绝热压缩回到状态1。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的循环称为卡诺循环。 燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（NaCO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。 发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电的回路。 与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。 1.2 燃料电池系统组成 单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。 1 燃料电池组 2 辅助装置和关键设备： (1)燃料和燃料储存器（包括碳氢化合物转化的重整器）(2)氧化剂和氧化剂存储器(3)供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置）(4)水和热管理系统 2.1 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell--PEMFC） 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜（例如全氟磺酸膜）；4）双极板。 工作时，氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。下图是质子交换膜燃料电池工作原理示意图 　在电极上的这些反应如下： 　阳极： 　阴极： 　整体：　　　 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。 　　　每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。 500kw质子交换膜燃料电池 2.2碱性燃料电池（alkaline fuel