燃料电池双极板ppt课件

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。 *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。
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燃料电池的分类
一、燃料电池的分类
1、按燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池
两电极的反应分别为：

阳极(负极)：2H2-4e=4H+

阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O

注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能
传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电
子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极
时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也
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
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。
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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。
(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不 适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换 膜。
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质子交换膜燃料电池的应用
质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广 阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基 础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动 力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电 池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达 到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电 系统的研究也取得了一定成果。

物质，电池的污染排放极低，是清洁能源； 质量轻、体积小、比功率高(600W／kg)，有较高的电流密度和功
率密度，较小的极化损失和欧姆损失； 不用贵金属，不存在液态电解质腐蚀及封接问题。 替代火力发电，可将发电率由目前的40%左右提高到85%，它易
于实现热电联产。
可用做医院、居民区、矿山等小区域以及军舰等移动目标的供电 电源。
阳极，燃料电极（fuel electrode）:
O2-+CO → CO2+2e- (煤气)
O2-+H2 → H2O+2e-
(氢气)
O2- +CH4 →CO2+H2O （液化气）
多孔阳极 致密电解质
多孔阴极
Pt-Current Collector
Ni/YSZ 10µm
YSZ 6µm
Anode Support Layer (200-250µm)
物理基础
电子电导
电子电导的载流子是电子或空穴(即电子空位)。电子 电导主要发生在导体和半导体中。电子在晶体中的运 动状态用量子力学理论来描述。能带理论指出，在具 有严格周期性电场的理想晶体中的电子和空穴，在绝 对零度下的运动像理想气体分子在真空中的运动一样 ，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。只有当周 期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。电场 周期破坏的来源是:晶格热振动、杂质的引入、位错和 裂缝等。在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性 碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的原因。
4.3.1 SOFC的工作原理
SOFC单电池一般呈三明治结构，又称PEN(Positive-pole ，Electrolyte and Negative-pole)，主要由致密的电解质 、多孔的阳极和阴极组成。

产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。 两电极的反应和总反应分别为：
阳极反应：2H2+4OH- →4H2O+4e阴极反应：O2+2H2O+4e- →4OH-
总反应： 2H2+O2=2H2O
2.3 磷酸燃料电池(PAFC)
磷酸型燃料电池是用氢的纯度极高的天然气或甲醇作燃料，工作温度为 200℃，反应过程用铂作催化剂，发电效率达40％。最初开发磷酸燃料电池是 为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院 、宾馆等地方提供电和热的现场集中电力系统。
( 3 )要能抵受高温碱性溶液的高度侵蚀环境，燃料电池的外壳必须采用特别 材料。材料技术的进展缓慢，并未能找到适当的材料。
(4) 氢气十分易燃和易爆，因此必须小心处理。在燃料电池的商业应用中， 如何安全配送氢气燃料成为一个主要障碍。兴建氢气配送系统的成本十分高。
(5)氢燃料基础建设不足, 氢气在工业界虽已使用多年且具经济规模，但全 世界充氢站仅约70站 ，仍值示范推广阶。此外，加气时间长，约需时5分钟, 尚跟不上工商时代的步伐。
两电极的反应和总反应分别为：
阳极(负极)：2H2-4e→4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+→2H2O 总反应： 2H2+O2=2H2O
图2-1 PEMFC装置图
图2-2 PEMFC工作原理图
直接甲醇燃料电池（DMFC）
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，系直接使用液态甲醇为燃料
供给来源，而不需透过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。
阴极：
O 22C2O 4e 2C3O
阳极：
2 H 2 2 C 3 O 2 C 2 O 2 H 2 O 4 e

燃料电池工作原理、分类及组成
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
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D. 当转移24mole-时，消耗的甲醇2mol。
总结：书写电极方程式的步骤： 1.判断正负极。 2.兼顾介质，确定产物。 3.电子守恒、电荷守恒、原子守恒。
负极：2H2 -4e－＝4H＋
2．电解质是KOH溶液（碱性电解质）
正极：O2＋H2O＋4e－＝4OH－ 说负明 极：：2H2 – 4e－＋4OH－＝4H2O 1.碱性溶液反应物、生成物中均无H＋； 2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH－；
练习1：CH4燃料电池电极反应式的书写
拓展：熔融碳酸盐中CO32-可以自由移动； 熔融氧化物中O2-可以自由移动。
练习 2
甲醇燃料电池可用于笔记本电脑等，它一极通入 氧气，另一极通入甲醇；电解质能传导H+。电池 工说作法时正确，的是2BC(CH3OH) ＋3O2 = 2CO2＋4H2O ,下列
A.通甲醇一极为正极 。
B.正极电极反应式 3O2 + 12H+ + 12e- = 6H2O C.电池工作时电子从甲醇一极流向氧气一极。
三、燃料电池
1、燃料电池的构成燃料Fra bibliotek电解质
O2
溶液
电极材料 ：多孔性镍、铂 电解质溶液 ：
KOH等强碱、 H2SO4等强酸、NaCl等盐溶液
2、燃料电池的电极反应的书写
①先写总反应：燃料在氧气中的燃烧
若有CO2生成，且电解质为强碱时，
考虑CO2+2OH—=CO32—+H2O ②再写正极 碱性 O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
反应：
酸性 O2＋4H+＋4e－＝ 2H2O
③最后写负极反应： 总反应减去正极反应
常见燃料：H2、CO、CH4、CH3OH 、N2H4等

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重要用途。
因此与PEMFC相比，在DMFC阳极结构与作燃料时，由于阳极室充满了液 态水，DMFC质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的 水饱和状态下。
但与PEMFC不同的是，当DMFC工作时不管是电迁 移还是浓差扩散，水均是由阳极侧迁移至阴极侧， 即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC，阴极需排出远 大于电化学反应生成的水。
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。
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。
PAFC结构
PAFC系统
AFC
碱性燃料电池
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电 解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应：
阳极： 2H 4OH 4H2O 4e 阴极： O2 2H2O 4e 4OH
碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此启动也很快，但其电力密度 却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。 不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发 电装置。
隔膜材料
• PAFC的电解质封装在电池隔膜内。隔膜材料目前采用微孔结构隔膜， 它由SiC和聚四氟乙烯组成，写作SiC-PTFE。新型的SiC-PTFE隔膜 有直径极小的微孔，可兼顾分离效果和电解质传输。

与传统概 念的电池
比较
• 燃料电池具有的特点
刘润茹 , 王德军.燃料电池工作原理及性能研究[J].长春大学学报,2004，14（04）.
一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作 为负极， 用空气中的氧作为正极
工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。 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。
• 固体氧化物型燃料电池（SOFC）：采用固态电解
质
• 质子交换膜燃料电池（PEMFC）：采用极薄的塑 料薄膜作为其电解质
பைடு நூலகம்
体系 特点
不同点
燃料电池
电池
完全不封闭体 大多数是完全封闭体系
系
（特例如：锌-空气电池）
只是供能设备
既是供能设备又是储能设 备，方便携带
功能
可持续供电
充电要电网的支持！
相同点
输出电能都来自电化学反应 供电时都比较安静 绿色环保
• (1)较高的质子传导率，可以降低电池内阻，减小欧 姆过电位以提高电流密度，实现较高的电池敬率
• (2)气体(尤其是氢气和氧气)在膜中的渗透性尽可能 小．以免氢气和氧气在对电极表面发生反应．造成 电极局部过热．影响电池的库仑效率
• (3)膜对氧化、还原和水解具有稳定性，它在活性物 质氧化／还原和酸性作用下不降解
• （5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒 钟内就可以从最低功率变换到额定功率，减少 了输变线路投资和线路损失。
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• 按电解质划分有5个种类：