專題1.燃料電池(FuelCell)主要內容1.燃料電池的分類2.固態燃料電池的結構和分類3.現今發電方式的瓶頸一般我們熟知的發電方式就是利用燃料(石油、瓦斯、汽油、核能等)通過化學變化產生熱能之后，間接利用水蒸汽推動發電機來產生電能。這樣的能量轉換過程需要經過許多程序，相對其轉換的過程中也消耗了許多不必要的浪費，以至于最后變成電能的效率通常都只剩下_____左右。30%圖片取自「新核家園」網站未來的希望若可以不要經過這些復雜且不必要的化學變化，而是直接將燃料轉換成電能，理論上就可以大幅提高能源轉換的效率！誰會是明日之星？！燃料電池燃料電池登場以特殊催化劑使燃料與氧氣發生反應產生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推動滑輪等發電器具，也不需將水加熱至水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70%～80%左右，足足比一般發電方法高出了40%以上。

燃料電池的優勢低污染高效率無噪音用途廣免充電燃料來源廣燃料電池比一般發電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料，其排放物是可供飲用的水和可以利用的熱能。發電主體不含迴轉機件時則無噪音問題，若需散熱則有風扇的雜音。

燃料電池所能提供的電力範圍廣泛(1W~1000MW)，因此可應用的產品也多。

一般電池係將能源貯藏於電池本體中，待用完後即需捨棄或重新充電，以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供，不含在電池本體結構中，因此只要燃料源源不絕的供應，燃料電池便可以不停的發電。

只要含有氫原子的化石能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能源進料。

因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，故不受卡諾循環的限制。

燃料電池的定義燃料電池（Fuelcell），是一種使用燃料進行化學反應直接產生電力的裝置燃料的選擇性非常高，包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，甚至于現在運用最廣泛的汽油，都可以作為燃料電池的燃料燃料電池的起源1839年，由英國法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一次實驗中意外發現了燃料電池的發電原理；但當時因為電極材料問題，使這項發明未受重視。1959年，法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)制作出一個5kW的燃料電池組，能夠推動高耗能電器，使這項技術得以走出實驗室。其后使用氫氣為燃料的堿性燃料電池(AFC)更成功的應用在太空梭的電力供應系統；加上產物是純凈的水，故也成為太空人飲用水的來源之一。你可以這樣記憶，只要是“燃料電池”，總反應一定是燃燒反應總反應：C2H4+3O2=2CO2+2H2O注意電解質是什么，這決定了電極反應式中寫什么離子，如何配平，這里是熔融的碳酸鹽，所以電極反應式中只能出現CO3^2-進行電荷的配平，而質量的配平可以適用CO2和H2O負極一定是燃料，C2H4：C2H4-12e-+6CO3^2-=8CO2+2H2O正極一定是助燃物，O2：3O2+12e-+6CO2=6CO3^2-寫完后，不妨將正極和負極的電極反應式相加，約去得失的電子，看看能否得到總反應，若能，即說明寫對了。燃料電池的分類1.按燃料電池的運行機理分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。在酸性條件下，溶液中游離的是H+離子;在堿性條件下，溶液中游離的是OH-離子所以，在酸性條件下H+離子出現在兩個電極方程式的兩端之一,OH-離子亦然

1.酸性條件下（如稀硫酸時——酸性環境傳遞H+）

負極：2H2-4e-=4H+

正極：O2+4e-+4H+=2H2O2.堿性條件下(如電解質溶液為30%的KOH溶液時—堿性環境傳遞OH-）負極：2H2+4OH--4e-=4H2O正極：O2+4e-+2H2O=4OH-3、當電解質溶液接近中性時：正極：O2+4e-+2H2O=4OH-

負極：2H2-4e-=4H+2.按電解質的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質。

燃料電池可分為：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。其中屬于堿性燃料電池的只有AFC一種，而其余的燃料電池均屬于酸性燃料電池。可用于汽車的一般是PEMFC。在燃料電池中，磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池（PEMFC）可以冷起動和快起動，可以用作為移動電源，適應FCEV使用的要求，更加具有競爭力。依電解質的種類，燃料電池一般可分為質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）堿性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固態氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的一種）目前主要的方式1）堿性燃料電池（AFC）采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達60一90％），但對影響純度的雜質，如二氧化碳很敏感。因而運行中需采用純態氫氣和氧氣。這一點限制了將其應用于宇宙飛行及國際工程等領域。（2）質子交換膜燃料電池（PEMFC）采用極薄的塑料薄膜作為其電解質。這種電解質具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用于固定和移動裝置的理想材料。

3）磷酸燃料電池（PAFC）采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質。很適合用于分散式的熱電聯產系統。

4）熔融碳酸燃料電池（MCFC）工作溫度可達650℃。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。

（5）固志氧燃料電池（SOFC）采用的是固態電解質（鉆石氧化物），性能很好。他們需要采用相應的材料和過程處理技術，因為電池的工作溫度約為1000℃。

3.按燃料類型分:

有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料，有機燃料和氣體燃料必須經過重整器"重整"為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。

4.按燃料電池工作溫度分：

有低溫型，溫度低于200℃；中溫型，溫度為200～750℃；高溫型，溫度高于750℃在常溫下工作的燃料電池，例如質子交換膜燃料電池（PEMFC），這類燃料電池需要采用貴金屬作為催化劑。燃料的化學能絕大部分都能轉化為電能，只產生少量的廢熱和水，不產生污染大氣環境的氮氧化物。不需要廢熱能量回收裝置，體積較小，質量較輕。但催化劑鉑（Pt）會與工作介質中的一氧化碳（CO）發生作用后產生"中毒"現象而失效，使燃料電池效率降低或完全損壞。而且鉑（Pt）的價格很高，增加了燃料電池的成本。

另一類是在高溫（600～1000℃）下工作的燃料電池，例如熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），這類的燃料電池不需要采用貴金屬作為催化劑。但由于工作溫度高，需要采用復合廢熱回收裝置來利用廢熱，體積大，質量重，只適合用于大功率的發電廠中。

低溫燃料電池

（60—120℃）中溫燃料電池（160-220℃)高溫燃科電池

(600—1000℃)類型

AFC堿性燃料電池PEMFC或SPFC質子交換膜或固態聚合物燃料電池PAFC磷酸燃料電池MCFC熔融碳酸燃料電池SOFC固態氧燃料電池應用太空飛行、國防汽車、潛水艇、移動電話、筆記本電腦、家庭加熱器、熱電聯產電廠熱電聯產電廠聯合循環熱電廠、電廠船、鐵路用車電廠、家庭電源傳送開發的狀態在太空飛行中的應用家庭電源試驗項目、小汽車公共汽車、試驗的熱電聯產電廠具有200kW功率的電池在工業中的應用(大約160個電廠)容量為280kW至2MW的試驗電廠100kW的試驗電廠特性

無污染排放污染排放在0和很低的水平之間低污染排放有效利用能源有效利用能源電效率高低噪音水平低噪音水平低噪音水平低噪音水平制造費用非常貴固體電解質適合于大規模生產是熱電聯產電廠的三倍費用沒有外部氣體配置沒有外部氣體配置不適合于工業應用與常規技術相比很貴隨著連續運行電效率降低腐蝕性電解液腐蝕性電解液少維護與常規技術相比很貴隨著連續運行電效率的減小腐蝕性電解液對材料的要求非?？量屉娊怏w

KOH溶液質子可滲透膜磷酸鋰和碳酸鉀固體陶瓷體燃料

純氫氫，甲醇天然氣天然氣，氫天然氣煤氣沼氣天然氣．煤氣沼氣日化劑純氫大氣中的氫氣大氣中的氫氣大氣中的氧氣大氣中的氧氣電效率

60-90％43-58％37-42％＞50%50-65%（1）質子交換膜燃料電池（PEMFC）

主要是利用氫氣進入電池組，經由擴散層，與觸媒層中的觸媒作用后，氧化為氫離子(質子)并釋放出電子，同時在陰極與氧氣反應產生電位差發電按此看動畫H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O圖片取自「科學人雜誌」回到課程燃料電池(FuelCell)?

Anode(陽極,燃料端)reaction:H2

T2H++2e-Cathode(陰極,氧氣端)reaction:?O2+2H++2e-T

H2OOverallreaction:

H2+?O2

T

H2O+Heat+WeFuelcellisnotabattery,anditisa

powergenerator!它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。

Fuelcellisnotabattery,anditisa

powergenerator!質子交換膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM與一般化學電源中使用的隔膜有區別。質子交換膜燃料電池已成為汽油內燃機動力最具競爭力的潔凈取代動力源.用作PEM的材料應該滿足以下條件：良好的質子電導率、水分子在膜中的電滲透作用小、氣體在膜中的滲透性盡可能小、電化學穩定性好、干濕轉換性能好、具有一定的機械強度、可加工性好、價格適當。氫燃料電池的化學反應式下列為陰陽極之半反應及總反應式：陽極(電池負極)半反應

H2→2H++2e-

（氧化反應）陰極(電池正極)半反應

2H++?O2+2e-→H2O

（還原反應）總反應

H2+?O2→H2OΔE=1.229V(latm、25℃)

質子交換膜型﹝PEMFC﹞其反應式如下：

陽極

H2+

→

2H

+

2e-

陰極

1/2

O2

+

2H+

+

2e-

→

H2O

全反應

1/2

O2

+

H2

→

H2O

質子交換膜型﹝PEMFC﹞燃料電池為了加速電極的反應，電極中通常會加入催化劑如鉑﹝白金﹞，但由于PEMFC內需含水分，所以操作溫度必須控制在100℃以下，此時鉑容易產生不完全反應并制造出一氧化碳﹝CO﹞，進而失去催化的效果，因此多加入銠[lǎo]或銥[yī]等貴金屬于鉑之中，如此一成本就向上攀升。電解水按此看動畫再生氫氧燃料電池工作原理再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能+2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(2H2+O2→H20+電能)相結合

,氫氧燃料電池的燃料H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以「再生」,起到蓄能作用?？梢杂米骺臻g站電源。

固態氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC）屬于第三代燃料電池，是一種等溫、直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。燃料電池的歷史可以追溯到1839年，固體氧化物燃料電池的開發始于20世紀40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃發展。電解質

電池結構：陽極(NiO+YSZ)+電解質(YSZ)+陰極(LSM)

具體參數:單電池總厚度在0.4mm左右,電解質膜厚10um左右,功率密度在750℃下達0.4w/cm2;抗彎強度在250MPa以上（陽極支撐平板型SOFC）采用檸檬酸絡合法為中溫固體氧化物燃料電池制備了La0.85Sr0.15MnO3Ce0.7Bi0.3O2(LSMCBO)復合陰極材料2.大面積Ni-YSZ多孔陽極基膜nickelandyttria-stabilizedzirconia(Ni/YSZ)氧化釔穩定立方氧化鋯

1.

負載YSZ致密膜SOFC的優點SOFC與第一代（磷酸型燃料電池，簡稱PAFC）、第二代燃料電池（熔鹽碳酸鹽燃料電池，簡稱MCFC））相比它有如下優點：（1）較高的電流密度和功率密度；（2）陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質內阻降；（3）可直接使用氫氣、烴類（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；（4）避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題；（5）能提供高質余熱，實現熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80％左右，是一種清潔高效的能源系統；（6）廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態結構；（7）陶瓷電解質要求中、高溫運行（600～1000℃），加快了電池的反應進行，還可以實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。

總之，固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種新型發電裝置，其高效率、無污染、全固態結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛應用的基礎。

Specificationofcellsusedinthestackmodule:Singlecell:AnodesupportedNi-YSZ/YSZ/LSMSize:100mmX100mmEffectivearea:68.64cm2

Specificationofstackmodule:Numberofcells:30cellsVolume:100mmX100mmX83mmWorkingtemperature:700~900°CFuel/Air:H2/AirPower:>=300W@800°CVolumetricpowerdensity:>=360W/literDegradationrate:<=10%/1000h@800°CPrice:29,000RMB/stack電池堆參數、性能和價格

電池堆疊堆式電池組–燃料流程3M在PEMFC中，電極各處均能獲得充足的反應劑、及時把電池生成水排出，是保證PEM燃料電池正常運行的關鍵。雙極板是燃料電池關鍵部件之一，雙極板的構造對上述現象產生和消除有直接影響。雙極板的流道設計是否合理顯得尤為重要，設計不合理是導致電池性能下降的主要原因。設計合理的流場板，應能夠：(1)均勻分配電池發電所需的燃料與氧化劑，保證電流密度分布均勻，避免局部過熱；(2)使反應所生成的水在反應尾氣吹掃和夾帶下順利排除。流道內何種流速可以排除生成水，且流量又不至影響電池的效率，這是需要研究的關鍵問題之一。雙極板的正反兩面都置有不同形式的流道，一面是氧化劑的流動，另一面是燃料的流動。復合雙極板如圖1．5所示，采用薄金屬板或其它強度高的導電板作為分隔板，厚度一般為0．1～0．3mm(1)分隔氧化劑與還原劑。要求雙極板必須具有阻氣功能，不能采用多孔透氣材料，否則必須采取措施堵孔。(2)有收集電流作用，必須采用電的良導體；雙極板必須是良導熱體，以保證電池組的溫度均勻分布和排熱方案的實施。(3)已開發成功的幾種燃料電池，其電解質均為酸或堿，雙極板所處環境同時存在氧化介質(如氧氣)和還原介質(如氫氣)，故雙極板材料必須在電池工作條件下和其工作的電位范圍內具有抗腐蝕能力。(4)雙極板兩側應加工或置有使反應氣體均勻分布的通道，以確保反應氣在整個電極各處均勻分布。(5)雙極板在燃料電池組內起著支撐膜電極、保持電池堆穩定的作用，這就要求雙極板材料重量輕、強度好，且適于批量生產。在質子交換膜燃料電池組內，雙極板具有以下功能和特點：燃料電池工程中心進行電池材料的制備，研究SOFC的新型結構和組裝技術并進行SOFC的應用基礎研究。已掌握LSM陰極，Ni-YSZ陽極及高溫密封材料的制備制備工藝。開發出中溫SOFC用大面積Ni-YSZ多孔陽極基膜和負載YSZ致密膜以及電極膜三合一的制備工藝，制備的負載YSZ致密膜厚度小于10μm。中溫SOFC在800℃時的功率密度達到0.15W/cm2。目前正在進行千瓦級電池組的開發。

nickelandyttria-stabilizedzirconia(Ni/YSZ)氧化釔穩定立方氧化鋯

熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料電池。其電解質是熔融態碳酸鹽。

反應原理示意圖如下：

陰極：O2+2CO2+4e-→2CO32-

陽極：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–

總反應：O2

＋2H2→2H2O總反應：O2

＋2H2→2H2O陰極：O2+2CO2+4e-→2CO32-陽極：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e–

2.直接甲醇燃料電池DirectMethanolFuelCell（DMFC,PEMFC的一種）

直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳，質子和電子，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，質子透過質子交換膜在陰極與氧反應，電子通過外電路到達陰極，并做功。

甲醇燃料電勢一般情況下，單電池只有0.5V左右的開路電位，其最大功率約為80mW/cm2。能量密度很低。（ⅰ）Theheartoffuelcellisthe

membrane

–

electrode

assembly(MEA)AMEAcontains:§Cathode?cathodedifusionlayer?cathodecatalystlayer§Anode?anodediffusionlayer?anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode?cathodedifusionlayer?cathodecatalystlayer§Anode?anodediffusionlayer?anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode?cathodedifusionlayer?cathodecatalystlayer§Anode?anodediffusionlayer?anodecatalystlayer§ProtonexchangemembraneAMEAcontains:§Cathode?cathodedifusionlayer?cathodecatalystlayer§Anode?anodediffusionlayer?