燃料电池技术基础总结

燃料电池技术基础总结

Ch1

1. 燃料电池是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装置，是可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电装置，已成为继水力发电、火力发电和核能发电之后的第四代主要发电技术。

2. 产业化过程将会经历三个阶段，即注重技术水平的成果阶段、注重实用化的产品阶段和注重销售价格,生产成本的商品化阶段。

3(燃料电池(Fuel Cell)的定义:是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。 燃料电池与一般传统电池(battery) 的相同点:都是将活性物质的化学能转化为电能的装置，都属于电化学动力源(electrochemical power source，electrochemical cell)

不同点:燃料电池是能量转换器，非能量储存器;一般电池是能量储存器

4. 1838年 C.F(Schonbein发现燃料电池原理

5. 1993年重要里程碑:加拿大巴拉德动力系统(Ballard power system)公司推出全世界第一辆以质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，

PEMFC)为动力的电动汽车。

6. 燃料电池发电是直接通过电化学反应将燃料的化学能转变成电能，不受卡诺循环的限制，转化过程的步骤少、效率高，发电过程中没有燃烧、不冒烟，不会产生污染没有高速转动部件，不会产生噪声。

7. 按照燃料的来源，燃料电池可以分成类:一类是直接式燃料电池，即燃料用氢气;另一类是间接式燃料电池。 8. 由于大部分的燃料为有机化合物且为气体，这就要求电极具有催化剂的特性(也就是“电催化”作用)，并且为多孔质材料，以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面，促进电子授受反应的进行。发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区(Three Phase Zone)。

9. 气体扩散电极的研究直接关系到整个燃料电池的发展，是燃料电池研究的重要课题之一。 10. 燃料电池的特点 燃料电池的特点 (1)效率高， (2)噪声低，(3)占地面积小、建造时间短，(4)污染小，(5)所用燃料广泛，(6)用途广

11.燃料电池的种类 燃料电池的种类:(1)低温• 碱性燃料电池(Alkaline fuel

cell，AFC) • 质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) (2)中温• 磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell，PAFC) (3)高温•

熔融碳酸燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC) • 固态氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC) 12.对于商业化的燃料电池，按照开发时间的顺序一般将PAFC称为第一代燃料电池，MCFC称为第二代燃料电池，而将SOFC称为第三代燃料电池。AFC主要用于太空飞行，PEMFC主要用于电动车(如电动汽车和电动摩托车)， PAFC、MCFC和SOFC则主要用于静置式发电站。

13.碱性燃料电池(AFC): 以石棉网作为电解质的载体，氢氧化钾(KOH)溶液为电解质，工作温度在70~200?C之间。• 高温(约200?C)时采用高浓度的氢化钾(85,) 电解质，在较低温度(<120?C)时则使用低浓度的氢化钾(35,~50,)电解质。•

与其他燃料电池相比，AFC功率密度较高，性能较为可靠。• 所使用燃料的限制非常严格，必须以纯氢作为阳 极燃料气体，以纯氧作为阴极氧化剂。• 催化剂使用铂、金、银等贵重金属，或者镍、钴、锰等过渡金属。• 电解质的腐蚀性强，因此电池寿命短，但启动快• 仅成功地应用于航天或军事应用，不适合于地面商业民用。 14. PEMFC PEMFC• 以质导度佳的固态高分子膜为电解质。• PEMFC内惟一的液体为水，因此腐蚀程度较低，但水管 理则是影响燃料电池发电效率的重要因素之一。必须保持膜内含水充分。• 由于水平衡的因素，燃料电池的工作温度必须限制在100?C以下。• 以富氢气体为燃料时，不能含有过量的CO(容忍度<10x10-4,)，以避免阳极催化剂中毒。• 工作温度较低(大约80?C)，余热利用价值低，但低温操作也使得PEMFC具有启动时间短的特性，可以在几分钟内达到满载运行。•

电流密度和功率密度较高、发电效率约在45,,50,(低热值) • 寿命长、运行可靠•

在车辆动力、移动电源、分散式电源以及家用电源方面有一定的市场，但不适合用于大容量集中型电厂。 15. 磷酸燃料电池 磷酸燃料电池(PAPC) (PAPC)• 工作温度大约在160--220?C之间(低温时离子 电导度差，而且阳极铂容易受到CO毒化)•

电解质为浓度100,的磷酸• 目前的发电效率仅能达到40,~45,(低热值)• 燃料必须外重整改质，而且燃料气体中CO的浓度必须小于0.5,• 酸性电解质的腐蚀作用使PAFC的寿命难以超过40000h。• PAFC目前的技术已趋成熟，产品也进入商业化，多作为特殊用户的分散式电源，现场可移动电源 以及备用电源等。• PAFC的特点之一是启动时间长。

16. 熔融碳酸盐燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) (MCFC)• 电解质:分布在多孔陶瓷材料(LiAlO2 )中的碱性碳酸盐• 工作温度:600,800?(碱性碳酸盐电解质呈现熔融状态，离子传导度极佳)• 在高温下工作，电极反应不需要贵重金属催化剂(如铂)，可以采用镍与氧化镍分别作为阳极与阴极的触媒。• 具有内重整改质能力，CH4与CO均可以直接作为燃料(发电效率提高，系统简化)• 余热可以回收或与燃气轮机结合组成联合发电系统，使发电容量和发电效率 进一步提高。• 与SOFC相比，MCFC的优点是工作温度低，可以使用价格较低的金属材料，电极、电解质隔膜、双极板的制作技术简单，密封和组装的技术难度相对较小，易于大容量发电机组的组装，而且造价较低。• 缺点是必须配置CO2 循环系统;要求燃料气体中H2S和COS小于0.5×10-4 ,;熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且

易挥发;与SOFC相比，寿命较短;组成联合发电系统的发电效率比SOFC低。•

与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作为备用电源。• 从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是分散型电站与集中型电厂的理想选择之一。

17.固态氧化物型燃料电池(SOFC) (SOFC)• 电解质为固态非多孔金属氧化物，通常为掺入三氧化二钇的氧化锆(Y2O3-stabilized-ZrO2，YSZ)• 工作温度650,1000?C(氧离子在电解质内具有高传导度)• 阳极材料为钴或者镍-氧化锆(CO-ZrO2 或Ni-ZrO2 )陶瓷，阴极则为掺入锶的锰酸镧(Srdoped-LaMnO3 ) • 外形较具弹性，可以被制成管形，平板形或整体形等• 无电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长，目前可以连续工作达70 000h • 燃料在内部可以进行重整改质，CO与CH4 均可直接作为SOFC的燃料。• 由于工作温度很高，金属与陶瓷材料之间不易密封。• 启动时间较长，不适合作紧急电源• 技术难度大，成本比MCFC高• 未来代替化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分散型电源(500kW-50MW)，也可以用作大容量的集中型电厂(>100MW)。 18. 构成燃料电池的基本元件必须包括以下三种:电极(electrode)、电解质隔膜(electrolyte

membrane)和集电器(current collector) • 电极是燃料氧化和氧化剂还原的电化学反应发生的场所，电极可以分成阴极(cathode)与阳极(anode)• 一般为多孔结构，厚度约在200~500μm之间• 高温燃料电池的电极可以由触媒材料制作而成，例如SOFC的YSZ掺入三氧化二钇的氧化铬以及 MCFC的氧化镍电极;低温燃料电池基本上是由气体扩散层支撑一层薄薄的触媒材料构成，例如 PAFC与PEMFC的铂电极。• 电极性能好坏的关键是触媒的性能、电极的材料与电极的制作工艺等。 19.

电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。燃料电池所采用的电解质隔膜可以分为两类，一类是先用绝缘材料制成多孔隔膜，例如石棉(asbestos)膜、碳化硅(SiC)膜和铝酸锂(LiAlO3 )膜等，再将电解液如氢氧化钾、磷酸和熔融的锂钾碳酸盐等，浸入多孔隔膜，借用毛细管力附着在隔膜孔内，其导电离子为氢氧根离子、氢离子或碳酸根离子; • 另一种电解质隔膜为固态离子交换膜，例如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜以及在 固态氧化物燃料电池中应用的掺入氧化钇的氧化锆膜。

20. 集电器也称作双极板(bipolar plate)，它具有收集电流、疏导反应气体以及分隔氧化剂与还原剂的作用; 21. 电催化是加速电化学反应中电荷转移的一种催化作用，一般发生在电极与电解质界面上。• 电催化的反应速度与触媒的活性、电荷双层(charge double layer)内电场、电解质溶液的本性有关。

• 电双层内的高电场强度使反应所需的活化能 (activation energy)大幅度下降，电催化反应可在远比非电催化反应低得多的温度(如室温)下进行• 对触媒的要求:要对特定的电化学反应有良好的催化活性、高选择性;能够在一定的电位范围内耐电解质的腐蚀;必须具有良好的电子导电性。

22. 燃料电池的实际工作电流密度与减少极化，必须增加参与反应电极的表面积(高出3~5个数量级)• 多孔气体扩散电极的液相质传边界层的厚度从平板电极的100μm压缩到1,10μm。

23. 气体扩散电极的两类结构:多层结构的粘结型电极(bind electrode)、单层烧结型电极(sintered electrode) • 单层烧结型气体扩散电极:直接将金属触媒与电解质的混合粉末以烧结方式制作成多孔结构的气体扩散电极，例如MCFC与SOFC• 多层粘结型气体扩散电极:在高分散型触媒内添加粘结剂(如聚四氟乙烯)后粘贴到气 体扩散层或者质子交换膜上而形成多层结构电极，如PEMFC、PAFC、AFC 。

24. 电极反应要能够连续而稳定地进行，电极必须同时能够将上述反应中同时有的氧气、水、电子以及质子等四种不同形态与物性的反应物或产生物物质输送到或离开反应点电极触媒层必须同时具备四种通道:电子传递通道、气体扩散通道、质子传递通道、水传递通道 25(电极的性能不单单依赖于触媒的电化学活性，还必须考虑电极内各种组成的配比，电极的孔分布与孔隙率(porosity)以及电极的导电特性等。简而言之，电极的性能与触媒的电催化活性、电极的制作技术密切相关。 26. 电解质的功能:传导离子与分隔燃料气体与氧化剂。• 从形态来看，燃料电池的电解质可以分成液态电 解质(AFC、PAFC、MCFC) 与固态电解质(PEMFC、SOFC)• 固态电解质属于无孔隔膜结构，可以直接制作成 薄膜来阻隔气体与传导离子;• 液态电解质必须借于毛细管力吸附在电解质载体的多孔隔膜内来进行工作• 电解质载体则必须能承受在电池工作条件下的电解质腐蚀(以保持其结构的稳固，确保电池长期稳定的工作)，是电子绝缘材料(避免电池内漏电而降低电池的效率)。