燃料电池技术及应用

燃郑电池技术及应用 燃料电池的发明 各种燃料电池的技术 燃料电池的应用

燃料电池技术及应用 • 引言 • 燃料电池的发明 • 各种燃料电池的技术 • 燃料电池的应用

引言 1854年美国打出了世界上第一口油井,曾在 数千年的人类史中闪烁着零星火光的黑色液体, 终于点燃了如火如荼的石油工业。仅仅一百年之 后,由石油和煤支撑起的现代文明社会,已经清 楚地察觉文明之下的危机:地球历经千万年乃至 上亿年历史累积而成的宝藏,在这样的消耗速度 下将会迅速枯竭,大气污染和酸雨等环境问题也 困扰着人们。“能源革命”的呼声从20世纪6 0年代起就日渐高涨,而那正是石油消费量超过 煤炭、成为新一代主体能源的时候

引言 • １８５４年美国打出了世界上第一口油井，曾在 数千年的人类史中闪烁着零星火光的黑色液体， 终于点燃了如火如荼的石油工业。仅仅一百年之 后，由石油和煤支撑起的现代文明社会，已经清 楚地察觉文明之下的危机：地球历经千万年乃至 上亿年历史累积而成的宝藏，在这样的消耗速度 下将会迅速枯竭，大气污染和酸雨等环境问题也 困扰着人们。“能源革命”的呼声从２０世纪６ ０年代起就日渐高涨，而那正是石油消费量超过 煤炭、成为新一代主体能源的时候

燃料电池的发明 早在1839年,英国科学家威廉格罗夫就提出了氢氧燃料电池 的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统,它的主 要部件为两个电极和电解液。在正极(燃料电极),氢气在催化 剂作用下被拆开成为质子(氢离子)和电子,其中氢离子通过电 解液流到负极(氧气电极),而电子不能通过电解液,留在正极, 这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极,氢原子分拆出 的电子就会沿电路从正极流到负极,在那里同氢离子结合后,与 氧气发生反应,生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池,其运 作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动 机等运动部件。因此燃料电池构造简单,能量利用率高,噪音小 而且稳定。理论上,应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的 60~70%转化为动能,而内燃机只能达到20~25%

燃料电池的发明 • 早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池 的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主 要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极），氢气在催化 剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电 解液流到负极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在正极， 这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出 的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与 氧气发生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运 作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动 机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小 而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的 ６０～７０％转化为动能，而内燃机只能达到２０～２５％

燃料电池的种类 °固体氧化物燃料电池 氢氧燃料电池 直接甲醇燃料电池

燃料电池的种类 • 固体氧化物燃料电池 • 氢氧燃料电池 • 直接甲醇燃料电池

固体氧化物燃料电池 体氧化物燃料电池采用固体 负载 氧化物作为电解质,除了高 效,环境友好的特点外。 e 无材料腐蚀和电解液腐蚀等 问题;在高的工作温度下电 燃料 池排出的高质量余热可以充 或O 空气 分利用,使其综合效率可由 50%提高到70%以上;它的燃 料适用范围广,不仅能用H2, 产物 还可直接用C0、天然气(甲 阳极 电解质 烷)、煤汽化气,碳氢化合 物、NH2、HS等作燃料。这类 电池最适合于分散和集中发 阴极O2+4e→·20 阳极H2+O2 H2O+2e 电 或CH4+0→·CO,CO2CH4CH 其工作原理如图所示:

固体氧化物燃料电池 • 体氧化物燃料电池采用固体 氧化物作为电解质，除了高 效，环境友好的特点外，它 无材料腐蚀和电解液腐蚀等 问题；在高的工作温度下电 池排出的高质量余热可以充 分利用，使其综合效率可由 50%提高到70%以上； 它的燃 料适用范围广，不仅能用H2， 还可直接用CO、天然气（甲 烷）、煤汽化气，碳氢化合 物、NH3、H2 S等作燃料。这类 电池最适合于分散和集中发 电。 其工作原理如图所示：

固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池是一种新型全固体燃料 电池,具有以下优点:使用全固体组件,不 存在对漏液、腐蚀管理问题;可以用天然气 作燃料,通过内部或外部重整利用石化燃料, 有利于环境保护;不需要使用贵金属催化剂, 从而节约了贵金属;余热温度较高,可以直 接利用;可忽略正负极极化损失,极化损失 集中在电解质电阻上;电解质的性能较稳定, 抗毒性较好;连续供给燃料、氧化物,电池 就可连续发电

固体氧化物燃料电池 • 固体氧化物燃料电池是一种新型全固体燃料 电池，具有以下优点：使用全固体组件，不 存在对漏液、腐蚀管理问题；可以用天然气 作燃料，通过内部或外部重整利用石化燃料， 有利于环境保护；不需要使用贵金属催化剂， 从而节约了贵金属；余热温度较高，可以直 接利用；可忽略正负极极化损失，极化损失 集中在电解质电阻上;电解质的性能较稳定， 抗毒性较好；连续供给燃料、氧化物，电池 就可连续发电。 • 固体氧化物燃料电池

氢氧燃料电池 在酸性溶液中 负极:H2+2H10-2e→2H0 负载 (8-1) 在碱性溶液中 负极:H2+20H-2e→2H20 (8-3) 因此,无论采用酸性还是碱 性电解液,氢氧燃料电池的总反应可 表示为: 电解质溶液 2H2+02--H20 多孔金属电极 图8-1H2-02燃料电池工作原理示意图 这一反应的实质是氢的燃烧反应,氢是一种燃料,而氧则是一种氧 化剂。所以,在燃料电池中,负极上进行燃料的氧化过程,而正极上 进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极” 它是燃料电池的主要工作电极,正极又被称作“氧化剂电极”,燃料 电池中常用的氧化剂是空气中的氧

氢氧燃料电池 • 在酸性溶液中 负极：H2 +2H2 O-2e→2H3 O + （8-1） • 在碱性溶液中 负极：H2 +2OH--2e→2H2 O （8-3） • 因此，无论采用酸性还是碱 性电解液，氢氧燃料电池的总反应可 表示为： 2H2+O2---H2O •这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃料，而氧则是一种氧 化剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，而正极上 进行氧化剂的还原过程。燃料电池的负极常常又被称作“燃料电极” ， 它是燃料电池的主要工作电极，正极又被称作“氧化剂电极”，燃料 电池中常用的氧化剂是空气中的氧

氢氧燃料电池 负花 贵荷 2s 阳一二气 困 町4·广2 H2 B20402+2e 水蒸气 2 (b)反刚环图

氢氧燃料电池

再生氢氧燃料电池 再生氢氧燃料电池将水电解技术(电能 +2H2OH2+02)与氢氧燃料电池技术 (2H2+0,HQ+电能)相结合,氢氧燃料 电池的燃料H2、氧化剂02可通过水电解过 程得以“再生”,起到蓄能作用

再生氢氧燃料电池 • 再生氢氧燃料电池将水电解技术（电能 ＋2H2 O2 H2＋O2）与氢氧燃料电池技术 （2H2＋O2 H2 O＋电能）相结合，氢氧燃料 电池的燃料H2、氧化剂O2可通过水电解过 程得以“再生”，起到蓄能作用

再生氢氧燃料电池工作原理 负载 燃料 Oad H 或 空气 Oad co CHI d Dad 阳极 od阴极 电解质 图3固体氧化物燃料电池工作原理

再生氢氧燃料电池工作原理