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燃料电池的分类及所需燃料.

2018-4-22 08:05| 发布者: dymodel| 查看: 242| 评论: 0|原作者: laoztou

摘要: A)质子交换膜燃料电池 子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点,被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部,质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道,使得 ...
A)质子交换膜燃料电池
子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点,被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部,质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道,使得质子经过膜从阳极到达阴极,与外电路的电子转移构成回路,向外界提供电流,因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用,它的好坏直接影响电池的使用寿命。
    迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion?膜,具有质子电导率高和化学稳定性好的优点,目前PEMFC大多采用Nafion?等全氟磺酸膜,国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion?类膜仍存在下述缺点:(1)制作困难、成本高,全氟物质的合成和磺化都非常困难,而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解,使得成膜困难,导致成本较高;(2)对温度和含水量要求高,Nafion?系列膜的最佳工作温度为70~90℃,超过此温度会使其含水量急剧降低,导电性迅速下降,阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题;(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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B)固体氧化物燃料电池(SOFC)(图)
一、SOFC定义及优势
    固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)属于第三代燃料电池,是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
    燃料电池的历史可以追溯到1839年,固体氧化物燃料电池的开发始于20世纪40年代,但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
    SOFC与第一代(磷酸型燃料电池,简称PAFC)、第二代燃料电池(熔盐碳酸盐燃料电池,简称MCFC))相比它有如下优点:(1)较高的电流密度和功率密度;(2)阳、阴极极化可忽略,彼化损失集中在电解质内阻降;(3)可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料,而不必使用贵金属作催化剂;(4)避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;(5)能提供高质余热,实现热电联产,燃料利用率高,能量利用率高达80%左右,是一种清洁高效的能源系统;(6)广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极,具有全固态结构;(7)陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃),加快了电池的反应进行,还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原,简化了设备。
    固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型发电装置,其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等,是其广泛应用的基础。
      二、SOFC组成及工作原理
    单体燃料电池主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode,fuel electrode)、阴极或空气极(cathode,air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。
    SOFC的工作原理与其他燃料电池相同:
    早期开发出来的SOFC的工作温度较高,一般在800~1000℃。目前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池,其工作温度一般在800℃左右。一些国家的科学家也正在努力开发低温SOFC,其工作温度更可以降低至650~700℃。工作温度的进一步降低,使得SOFC的实际应用成为可能。
    在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气,例如:氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等,具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体,并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气,具有多孔结构的阴极表面吸附氧,由于阴极本身的催化作用,使得O2得到电子变为O2-,在化学势的作用下,O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体,由于浓度梯度引起扩散,最终到达固体电解质与阳极的界面,与燃料气体发生反应,失去的电子通过外电路回到阴极。
      三、固体氧化物燃料电池组
    单体燃料电池只能产生1V左右电压,功率有限,为了使得SOFC具有实际应用可能,需要大大提高SOFC的功率。

    可以应用的方式:将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。目前SOFC组的结构主要为:管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种,其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。
    1、管状SOFC
    管状结构SOFC是最早发展的一种形式,也是目前较为成熟的一种形式。单电池由一端封闭、一端开口的管子构成,如图2a所示。最内层是多孔支撑管,由里向外依次是阴极、电解质和阳极薄膜。氧气从管芯输入,燃料气通过管子外壁供给。
    目前管状结构单电池已经运行了数万小时。单电池通过阴、阳极间连接形成电池堆,如图2b所示。
1180553082881.jpg
  2、平板型SOFC
    平板型固体氧化物燃料电池的几何形状简单,其设计形状使得制作工艺大为简化。平板式SOFC结构组成如图3a所示。阳极、电解质、阴极薄膜组成单体电池,两边带槽的连接体连接相邻阴极和阳极,并在两侧提供气体通道,同时隔开两种气体。
    平板型固体氧化物燃料电池堆结构如图3b所示。
平板型固体燃料电池.jpg
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C)直接甲醇燃料电池
  所谓直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell),它属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类,系直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源,而不需通过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于质子交换膜燃料电池(PEMFC) ,直接甲醇燃料电池 (DMFC) 低温生电、燃料成分危险性低与电池结构简单等特性使直接甲醇燃料电池 (DMFC)可能成为可携式电子产品应用的主流。
  直接甲醇燃料电池(DMFC)
  直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种,它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳,质子和电子,如同标准的质子交换膜燃料电池一样,质子透过质子交换膜在阴极与氧反应,电子通过外电路到达阴极,并做功。
  碱性条件
  总反应式:2CH4O + 3O2 = 2CO2 + 4H2O
  正极:3O2 + 12e– + 6H20 → 12OH–
  负极:2CH4O - 12e– + 12OH~ → 2CO2 + 10H2O
  酸性条件
  总反应同上
  正极:3O2 + 12e– + 12H+ → 6H2O
  负极:2CH4O - 12e– + 2H2O → 12H+ + 2CO2
  这种电池的期望工作温度为120℃以下,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约是40%左右。
  直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种,它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢,如同标准的质子交换膜燃料电池一样,氢然后再与氧反应。
  这种电池的期望工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约是40%左右。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。不过,这种增加的成本可以因方便地使用液体燃料和勿需进行重整便能工作而相形见绌。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期,但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源,将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。
松下开发出小型高功率直接甲醇燃料电池
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D)碱性燃料电池
 碱性燃料电池(AFC)
  碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水。
  使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质,且电化学反应也与羟基(OH)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量,然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
  阳极反应:2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e-
  阴极反应:O2 + 2H2O + 4 e- → 4OH-
  碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此,它们的启动也很快,但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得相当笨拙。不过,它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池,因此可用于小型的固定发电装置。
  如同质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外,其原料不能含有一氧化碳,因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,降低电池的性能。
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水。
    碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似,但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质,且电化学反应也与羟基(OH)从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量,然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
    碱性燃料电池的工作温度与质子交换膜燃料电池的工作温度相似,大约80℃。因此,它们的启动也很快,但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍,在汽车中使用显得相当笨拙。不过,它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池,因此可用于小型的固定发电装置。如同质子交换膜燃料电池一样,碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非常铭感。此外,其原料不能含有一氧化碳,因为一氧化碳能与氢氧化钾电解质反应生成碳酸钾,降低电池的性能。
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E)磷酸盐燃料电池
磷酸盐燃料电池的原理和特征
 l.磷酸盐燃料电池的原理
  燃料电池发电装置中,除了可以直接供给氢气以外,也可以与沼气(marshgas/methane甲烷),丙烷(prpaned)等按一定比例水蒸气混合而在触媒存在下,由加热使之反应改质,发生丰富的氢气。对于含有矩阵状配置的电解质磷酸水溶液的燃料极(负极)给以这个改质的气体,改质气体中的氢,在白金触媒上,变成氢离子而放出电子。氢离子在电解质中扩散到空气极,在空气极白金触媒上与氧气反应,而变成水。用导线连接两极,电子流动,就向外部输出电力。参照图1。
磷酸燃料电池.jpg
 燃料电池把燃料(主要是氢)的氧化反应分成正极反应,和负极反应二个电气化学反应进行。为此,而需要具备下列条件:
  (1)正极,负极两极之间的电子导电性高,电阻小。
  (2)离子导电性高,电子导电性低的电解质与两极接触,电荷由离子从电解质中输出。
  (3)氢气,氧气供给各自的电极,电极触媒(固体),氢和氧(气体),电解质(液体)的三相界面起反应。
  (4)氢与氧的直接接触不发生。
  电池本体(即单个电池)的输出电压在无负荷的状态下,为1[V]程度。提高电流密度,通常设计以0.6—0.7[V/单个电池]为额定值。无负荷状态与实际电压的差作为热能而放出。并且,电池本体的发电效率不决定于电池面积,所以,燃料电池本质上即使是下容量的,也是高效率的。实际使用上是按输出的需要,把数十个以至数百个电池本体串联而积成为电池组合体(stack)的。
  2.磷酸盐燃料电池的特征
  上述的磷酸盐燃料电池的特征如下:
  (1)排气清洁
  燃料并不燃烧,就发电,所以,几乎完全没有NO×,SO×污染大气物质参照图2。
45687.jpg
图2各种燃料发电机与燃料电池发电排气污染大气物质的比较
  (2)发电效率高
  从来的内燃机发电装置是燃烧燃料驱动涡轮等机械能使发电机转换出电能的,能量损耗大。但是,燃料电池发电上是把燃料的化学能直接变换成电能的,所以,能量变换损失少。结果,发电效率远高于从来的发电,如图3所示。
图3各种发电方式发电效率的比较
  (3)低噪音,低振动
  不伴有旋转机械的发电方式,所以,是在低噪音,低振动下运转。噪音的比较,如图4所示。

45690.jpg



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