当前课程知识点：能源化学工程概论 > 第七章 燃料电池 > 第二节 燃料电池的分类 > 燃料电池的分类
大家好
今天我们来学习燃料电池第二节
燃料电池的分类
燃料电池按照电解质的不同可分为6种类型
碱性燃料电池
磷酸燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池
固体氧化物燃料电池
质子交换膜燃料电池
以及直接甲醇燃料电池
由于直接甲醇燃料电池的工作原理
类似于质子交换膜燃料电池
只是燃料不同
因此可以认为直接甲醇燃料电池
是质子交换膜燃料电池的一个分支
当然若按燃料电池的运行机理分类
上述燃料电池也可分为
酸性燃料电池和碱性燃料电池
例如磷酸燃料电池和液态氢氧化钾燃料电池
若按燃料类型分类
可主要分为氢燃料电池
甲烷燃料电池
甲醇燃料电池及乙醇燃料电池
此外燃料电池也可
依据其工作温度不同分为低温型
温度低于200摄氏度
中温型 温度为200到750摄氏度
高温型温度高于750摄氏度
一般我们在不同的应用场合
使用相应的分类方法
下面呢就各类燃料电池进行逐一讲解
碱性燃料电池是开发最早
并成功获得应用的一类燃料电池
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
而实际飞行结果表明
碱性燃料电池
作为宇宙探测飞行等特殊用途的动力
已经达到了实用化阶段
碱性燃料电池采用氢氧化钾等碱性溶液为电解质
用氢气为燃料
空气或氧气为氧化剂
工作温度大约为80摄氏度
其负极反应为
氢与氢氧根反应生成水与电子
正极反应为
氧气与水与电子反应生成氢氧根
该类电池的优点为效率高
因为氧在碱性介质中的还原反应
比在其它酸性介质中高
此外由于是碱性介质
电池反应可以使用非铂催化剂
当然由于碱性电解质
易与二氧化碳反应生成碳酸钾
该类电池的主要缺点
为使用时必须除去二氧化碳
这给其在常规环境下应用带来较大的困难
磷酸燃料电池是当前商业化发展得
最快的一种燃料电池
以浓磷酸为电解质
以铂碳催化的气体扩散电极为正负
电极的中低温型燃料电池
可以在150到220摄氏度工作
具有电解质稳定 磷酸可浓缩
水蒸气压低和阳极催化剂
不易被一氧化碳毒化等优点
磷酸燃料电池阳极和
阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同
但由于其工作温度稍高
所以磷酸燃料电池阴极上的反应速度
要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快
此外
磷酸燃料电池用于发电厂时包括两种情形
即容量在 10到20 兆瓦之间的分散型发电厂
及容量在100兆瓦 以上的中心电站型发电厂
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极
多孔陶瓷电解质隔膜
多孔金属阳极金属极板构成的燃料电池
电解质是熔融态碳酸盐
一般为碱金属锂 钾 钠 铯的碳酸盐混合物
正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍
其正极反应为
氧气与二氧化碳与电子
反应生成碳酸根离子
负极反应为
氢气与碳酸根离子
反应生成二氧化碳与水与电子
总反应为
氧气与氢气反应生成水
熔融碳酸盐燃料电池的优点为工作温度较高
反应速度较快
对燃料的纯度要求相对较低
无需贵金属催化剂
成本较低
不足之处则为高温条件下
液体电解质的管理较困难
长期操作过程中
腐蚀和渗漏现象都比较严重
这样就降低了电池的寿命
固体氧化物燃料电池是一种采用
氧化锆等氧化物作为固体电解质的
高温燃料电池
早期开发出来的固体氧化物
燃料电池工作温度较高
普遍在800到1000摄氏度
不过了
目前科学家已成功研发出工作温度
在800摄氏度左右的固体氧化物燃料电池
此外更低工作温度的固体氧化物燃料电池
一直为领域内的研究热点
一般认为工作温度的降低
可以带来实际应用的便利
鉴于该类电池
发电时的排气具有很高的温度
可利用高温提供天然气重整所需热量
也可以和燃气轮机
组成联合循环用于分布式发电
不但具有较高的发电效率
同时也具有低污染的环境效益
质子交换膜燃料电池
又称固体高分子型燃料电池
其电解质是能传导质子的固体高分子膜
工作温度为80摄氏度
它在原理上相当于水电解的“逆”装置
由于质子交换膜只能传导质子
因此在电池反应中氢质子
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
该类燃料电池每一单电池的
发电电压理论上限为1.23V
在实际使用中
需将多个单电池层叠组合构成
输出电压满足实际负载所需要的燃料电池堆
质子交换膜燃料电池堆
由多个单体电池以串联方式层叠组合而成
将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合
各单体之间嵌入密封件
经前 后端板压紧后固定
电池堆在工作时
氢气和氧气分别由两端进口引入
经电池堆气体主通道
分配至各单体电池的双极板
并最终经双极板导流均匀分配至电极
进而进行电化学反应
需要注意的是
膜电极三合一组件(MEA)是指质子交换膜
和其两侧各一片多孔气体扩散
电极组成的阴阳极和电解质的复合体
直接甲醇燃料电池是指
直接使用甲醇为阳极活性物质的燃料电池
是质子交换膜燃料电池的一种
只是燃料不是氢气而是甲醇而已
直接甲醇燃料电池
是目前领域内研究和开发的热点
其基础是1922年首次进行的甲醇电氧化实验
鉴于为质子交换膜燃料电池的分支
直接甲醇燃料电池的工作原理不在赘述
该类电池的正极反应为
氧气与电子与氢离子反应生成水
负极反应为
甲醇与水反应生成二氧化碳与氢离子与电子
电池总反应为
甲醇与氧气反应生成水和二氧化碳
直接甲醇燃料电池发展中一个显著的问题为
适用于质子交换膜燃料电池的
全氟磺酸型膜
在直接甲醇燃料电池中
会引起甲醇从阳极到阴极的渗透
这一现象是由于甲醇的扩散和电渗共同引起的
由于甲醇的渗透导致阴极性能衰退
电池输出功率显著降低
使用寿命缩短
因此要使直接甲醇燃料电池进入商业化
必须开发性能良好防止甲醇渗透的质子交换膜
好这节课我们介绍了燃料电池的分类
各类燃料电池的工作原理及特点
本节内容到此结束
-第一节 课程概述
--课程概述
-第二节 课程基本知识
--课程基本知识
-第一节 煤炭概述
--煤炭概述
-第二节 煤炭直接液化
--煤炭直接液化
-第三节 煤炭间接液化-煤炭气化
-第四节 煤炭间接液化-合成气制油品
-第五节 煤炭间接液化-合成气制含氧液体
-第一节 石油概述
--石油概述
-第二节 石油一次加工
--石油一次加工
-第三节 石油二次加工
--石油二次加工
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--石油三次加工
-第五节 石油产品
--石油产品
-第一节 天然气基础知识
--天然气基础知识
-第二节 天然气分离与净化
--天然气分离与净化
-第三节 天然气化工利用
--天然气化工利用
-第四节 非常规天然气
--非常规天然气
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-第二节 生物质制取燃料乙醇
-第三节 生物质基柴油制备
--生物质基柴油制备
-第四节 生物油的制取
--生物油的制取
-第五节 生物质制燃气
--生物质制燃气
-第一节 锂离子电池基础
--锂离子电池基础
-第二节 锂离子电池的正极材料
-第三节 锂离子电池的负极材料
-第四节 锂离子电池的其他组成部分
-第一节 燃料电池基础知识
--燃料电池基础知识
-第二节 燃料电池的分类
--燃料电池的分类
-第三节 氢气的制取
--氢气的制取
-第四节 氢气的运输和储存
--氢气的运输和储存
-第一节 超级电容器基础知识
-第二节 超级电容器的分类
--超级电容器的分类
-第三节 超级电容器的组成及特点
-第四节 超级电容器的电极材料
-第一节 二氧化碳与全球变暖
-第二节 二氧化碳减排与捕集技术
-第三节 二氧化碳捕集方法
--二氧化碳捕集方法
-第四节 二氧化碳利用与封存技术
