中科院研究生院能源化学与化工燃料电池14aPPT课件

13
液体燃料在进入AFC电池堆之前必须进行预处理。 阱（N2H4）在AFC阳极上易分解成氢气和氮气，其 电极反应可能是：
实验结果表明，以阱为燃料的AFC电性能与氢氧 AFC电性能差不多相等。有人认为这两种燃料的 电化学过程实际上是相同的，阱仅仅起到氢气源 的作用。
14
阱在AFC阳极表面分解的同时还可能产生对电极性能 有害的氨。
15
在五六十年代，阱-空气燃料电池曾作为军用电源大 力开发。这种电池最主要的缺点是阱具有极高毒性、 价格昂贵。而且，这种电池系统需要大量辅助设备， 这不仅需要消耗电池所产生功率中的相当大一部分， 而且在电池正常工作前必须启动这些辅助设备。因 此，尽管在理论上阱氧化产生的能量比大多数其他 燃料要大得多，但阱电池在商业上似乎不大可能有 什么重要用途。
在过去相当长的一段时期内，AFC系统的研究范围 涉及不同温度、燃料等各种情况下的电池结构、材料 与电性能等。
就电池工作温度而言，AFC系统分中温型与低温型两 种，前者以培根中温燃料电池最为突出，它由英国培 根(F．T．Bacon)研制，工作温度约为523K，阿波罗登 月飞船上使用的AFC系统就属于这一类型。
6
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：
H2 2H2e
（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：
2H2e1 2O2H2O
（3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应为：
2H 2O 22H 2O
• 20世纪50年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大 学的Bacon用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料 电池；
3
20世纪60年代燃料电池成功为“双子星座”和“阿波罗”
飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域；
• 1991年日本东京电力公司建成12MW燃料电池电站， 使磷酸型燃料电池进入实用化阶段；
燃料电池
1
• 燃料电池（fuel cell）是一种将燃料的化学 能，透过电化学反应直接转换成电能的装 置。
燃料电池的特点 燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型 设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。
在阱电池中，电解液是连续循环的，并在循环过程中 添加水合阱使浓度大体上维持恒定，这种循环也有助 于除去电池工作中产生的氮气。排出的氮气中会带定 一些阱蒸汽，由于阱有毒且易爆，故须使废气通过乙 醛或硫酸以除去其中的阱。电池反应产生的水也大部 分随氮气一起排出。
电池的氧化剂曾采用纯氧、空气或H2O2等。若以空 气代替纯氧，会大大增加排出气体中氮气的流量，使 电池输出功率显著降低。
• 20世纪90年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得 突破性进展，在宇航、汽车、军用移动电源、民用便 携式电源和城 市洁净电站等方面发展很快，十年内 装备这种电源的汽车将 大量上路。
• 我国1958年中科院长春应用化学所对燃料电池进行 研究1976年有应用实例。目前我国已有20多个单位进 行各类燃料电池的研发。
➢高温型(600-1000oC) 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固态氧化物燃料电池（SOFC）
10
碱性燃料电池 Alkaline Fuel Cells (AFC)
11
一. 概述
碱性燃料电池(AFC)是燃料电池系统中最早开发并获得 成功应用的一种。美国阿波罗登月宇宙飞船及航天飞 机上即采用碱性燃料电池作为动力电源，实际飞行结 果表明，AFC作为宇宙探测飞行等特殊用途的动力电 源已经达到实用化阶段。
12
低 温 型 AFC 系 统 的 工 作 温 度 低 于 373K ， 是 现 在 AFC系统研究与开发的重点。其应用目标是便携式 电源及交通工具用动力电源。 在燃料电池系统中采用液体燃料是吸引各种商业用 户的有效途径之一。因为液体燃料储运方便，易处 置 。 曾 经 考 虑 用 作 AFC 系 统 的 液 体 燃 料 有 阱 （N2H4）、液氨、甲醇和烃类。 然而，由于AFC系统通常以KOH溶液作为电解质， KOH与某些燃料可能产生的化学反应使得AFC几 乎不能使用液体燃料。
2
☻ 发展简史
• 1839年英国威廉•格罗夫（Grov）发明燃料电池， 点 • 燃18伦89敦年讲M演o厅od的和照L明an灯ge；r首先采用“燃料电池”的名 称，并 • 发获电得机20的0问mA世/并m迅2; 速发展及燃料电池的电极过程动 力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟 了近1个世纪；
*评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电 导率和经济性。
8
燃料电池与普通电池的区别
• 燃料电池是电化学能量发生器，是以化学 反应发电；
• 原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；
• 充电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。
9
燃料电池分类
➢低温型 (60-220oC) 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料电池（PAFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 直接甲醇燃料电池（DMFC）
4
第一颗燃料电池
• 燃料电池的原理是于 1839 年由英国的法律学家
和业余物理学家威廉格罗夫（William Grove）
发现的。他当时利用的工作原理
燃料
导电离子
氧化剂
阳
阴
极
极
电 解 质
燃料电池由阳极、阴 极和离子导电的电解 质构成，其工作原理 与普通电化学电池类 似，燃料在阳极氧化， 氧化剂在阴极还原， 电子从阳极通过负载 流向阴极构成电回路， 产生电流。
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。
7
燃料电池中的催化作用
燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中 电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面 上。
催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分 别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得 人们可以更好地优选不同的催化剂。