燃料电池专题(jia)

专题1. 燃料电池 (Fuel Cell)贾二 广

主要内容12 3 燃料电池的简介 燃料电池的概念、发展史

燃料电池的原理以及分类磷酸燃料电池 质子交换膜燃料电池

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1. 燃料电池的简介

現今发电方式的瓶颈

一般我们熟知的发电方式就是利用燃料(石 油、瓦斯、汽油、核能等)通过化学变化产 生热能之后，间接利用水蒸汽推动发电机来 产生电能。 这样的能量转换过程需要经过许多程序，相 对其转换的过程中也消耗了许多不必要的浪 費，以至于最后变成电能的效率通常都只剩 30% 左右。 下_____圖片取自「新核家園」網站

未来的希望

若可以不要经过这些复杂且不必要的化学 变化，而是直接将燃料转换成电能，理论 上就可以大幅提高能源转换的效率！

燃料電池

誰會是明日之星？!

2.燃料电池的概念、原理和发展史燃料电池登场

以特殊催化剂使燃料与氧气发生反应产生 二氧化碳(CO2)和水(H2O),因不需 推动滑轮等发电器具，也不需将水加热至 水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效 率高达70% ~ 80%左右，足足比一般发电 方法高出了40%以上。燃料的选择性非常高，包括氢气、甲醇、乙醇、天然气， 甚至于現在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的 燃料。

燃料電池登場

燃料电池能量转换效率高

汽油柴油发电机：35-40%;太阳能转换装置：7-35%; 核能转换装置：理论60%,实际1%; 燃料电池：理论80%,实际60-70%。

燃料电池(Fuel Cell)?

燃料电池是一 种使用燃料进 行化学反应直 接产生电力的 裝置

Anode(陽極,燃料端) reaction: H2 2H+ + 2e-

Cathode(陰極,氧氣端) reaction: ½ O2 + 2H+ + 2e- H2OOverall reaction: H2 + ½ O2 H2O + Heat + We

Fuel cell is not a battery, and it is a power generator!它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电 厂”。

燃料电池的工作原理(以氢氧磷酸型电池为例)(1)氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：

H 2 2H 2e(2)氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为：

1 2 H 2e O2 H 2 O 2

(3)综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：

2H 2 O2 2H 2 O伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气 的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。

燃料电池的优势

低污染 只要含有氫原子的化石能源 燃料電池比一般發電方式更 發電主體不含迴轉機件時則 燃料電池所能提供的電力範 一般電池係將能源貯藏於電 因为燃料电池直接将燃

料中 高效率 的化学能转换成电能，故不 為清潔，若用氫氣作為燃料， 無噪音問題，若需散熱則有 圍廣泛 池本體中，待用完後即需捨 如天然氣、石油、煤炭等氣 (1W~1000MW),因此 其排放物是可供飲用的水和 棄或重新充電，以恢復電力。 風扇的雜音。 可應用的產品也多。 受卡诺循环的限制。 无噪音 化產物，或是沼氣、酒精、 可以利用的熱能。 燃料電池的能源是由燃料中 甲醇等，都可作為燃料電池 用途广 的化學能所提供，不含在電 的能源進料。 免充电 池本體結構中，因此只要燃 燃料来源广 料源源不絕的供應，燃料電 池便可以不停的發電。

燃料电池的起源

1839年，由英国法官威廉葛洛夫(William Grove)在 一次实验中意外发现了燃料电池的发电原理；但当时 因为电极材料问题，使这项发明未受重视。 1959年，法兰西斯培根(Francis T. Bacon)制作出一 個5kW的燃料电池组，能够推动高耗能电器，使这项 技术得以走出实验室。 其后使用氢气为燃料的碱性燃料电池(AFC)更成功的 应用在太空梭的电力供应系统；加上产物是纯净的水， 故也成为太空人饮用水的来源之一。

燃料电池的分类1、按燃料电池的运行机理分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

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 3.3甲醇燃料电池

3.2甲烷燃料电池 3.4乙醇燃料电池

4. 按燃料电池工作温度分：有低温型，温度低于200℃;中温型，温度为200~750℃;高温型，温度高于750℃

燃料电池的分类

(1)按照运行机理燃料电池正负极的电化学反应

酸性燃料电池 碱性燃料电池

1. 酸性条件下(如稀硫酸时——酸性环境传递H+) 负极：2H2 - 4e- = 4H+ 正极：O2+4e-+4H+=2H2O 2. 碱性条件下(如电解质溶液为30%的KOH溶液—碱性环境传递OH-) 负极：2H2+4OH- - 4e-=4H2O 正极：O2+4e-+2H2O=4OH 3、当电解质溶液接近中性时： 正极：O2+4e-+2H2O=4OH负极：2H2- 4e-=4H+

燃料电池的分类

(2)依电解质的种类，燃料电池一般可分为

1.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 2.碱性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC) 3.磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell, PAFC) 4.熔融碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell, MCFC) 5.固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC) 直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell, DMFC, PEMFC的一种)

目前主要的方式

3. 按燃料类型分:有氢气、甲

醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁 烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天 然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料 必须经过重整器"重整"为氢气后，才能 成为燃料电池的燃料。催化重整：在有催化剂作用的条件下，对汽油馏分中 的烃类分子结构进行重新排列成新的分子结构的过程 叫催化重整。

燃料电池的燃料处理系统燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍脱 硫 器 重 整 器 CO 转化 器 CO 去除器 重 H2:72% 整 CO2:20% 气 CO:100ppm

燃料

水蒸气 发生器

氧气

燃料处理系统

脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用氢气与硫反应来脱硫

重整器：在高温下(700 ℃)与催化剂反应得到以氢为主的重整气转化器：CO+H2O →H2+CO2(300 ~ 400 ℃ ) 去除器：CO+½O2 →CO2(150 ~ 200 ℃ )