1、整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 科學技術的飛速發展給人類的生活帶來科學技術的飛速發展給人類的生活帶來了極大的便利，同時也使得世界性的能源危了極大的便利，同時也使得世界性的能源危機與環境污染日益嚴重，引起了各國政府及機與環境污染日益嚴重，引起了各國政府及學術界的高度重視。學術界的高度重視。1854年美國打出了世界上第一口油井，僅僅年美國打出了世界上第一口油井，僅僅150年之后，由石油和煤支撐起的現代文明年之后，由石油和煤支撐起的現代文明社會，已經清楚地察覺文明之下的危機社會，已經清楚地察覺文明之下的危機 整理課件地球歷經千萬年乃至上億年歷史累積而成的地球歷經千萬年乃至上億年歷史累積而成的寶藏

2、，在這樣的消耗速度下將會迅速枯竭，寶藏，在這樣的消耗速度下將會迅速枯竭，大氣污染和酸雨等環境問題也困擾著人們。大氣污染和酸雨等環境問題也困擾著人們。“能源革命能源革命”的呼聲從世紀年代起的呼聲從世紀年代起就日漸高漲，而那正是石油消費量超過煤炭、就日漸高漲，而那正是石油消費量超過煤炭、成為新一代主體能源的時候。成為新一代主體能源的時候。整理課件到到20072007年，世界范圍內一次能源消費結構年，世界范圍內一次能源消費結構中，仍以中，仍以化石類能源化石類能源為主。為主。 但化石類能源對人類的環境的污染很大。但化石類能源對人類的環境的污染很大。化石類資源有限：化石類資源有限：石油石油4060年；年

3、；天然氣天然氣50120年年煤煤300年左右年左右整理課件 國家國家總量總量(億噸億噸油當量油當量) 石油石油 天然氣天然氣煤炭煤炭核能核能水電水電美國美國23.613十十.十十25.224.38.12.4英國英國2.1636.228.018.26.51.0德國德國3.1136.224.027.710.22.0俄羅斯俄羅斯6.十十218.257.113.75.25.十十日本日本5.1656.211.317.114.11.3中國中國18.631十十.73.370.40.85.十十印度印度4.0431.8十十.051.41.06.8表表10.1 中國與世界主要國家一次能源構成中國與世界主要國家一次

4、能源構成整理課件 國國 家家 探明儲量探明儲量 占世界總量占世界總量% 產量產量 消費量消費量美國美國362.13.1十十.4英國英國50.30.7680.782德國德國?1.35俄羅斯俄羅斯10十十6.54.十十1.2印度印度5.80.350.371.2十十中國中國211.21.863.68伊朗伊朗1十十011.32.10.77科威特科威特1408.31.30.14沙特沙特36321.54.十十0.十十十十表表10.2 2007年世界各國石油儲存、開采與消費（億噸）年世界各國石油儲存、開采與消費（億噸）整理課件 2007年世界各國能源消費構成年世界各國能源消費構成 整理課件 作為解決問題的措

5、施之一，各類替代清潔作為解決問題的措施之一，各類替代清潔能源如太陽能、風能、氫能、核能、地熱能、能源如太陽能、風能、氫能、核能、地熱能、燃料電池等的研究受到了廣泛的關注。燃料電池等的研究受到了廣泛的關注。 燃料電池是繼燃料電池是繼水力水力、火力火力、核能核能發電技術發電技術后的后的第四代第四代發電技術，是一種直接將儲存在發電技術，是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉變成電能的高效燃料和氧化劑中的化學能轉變成電能的高效發電裝置。發電裝置。整理課件一、什么是燃料電池？一、什么是燃料電池？電電 能能化學能化學能 動能動能 熱能熱能傳統發電技術傳統發電技術 燃料電池燃料電池整理課件燃料電池是把化

6、學能直接轉換為電能的裝置。燃料電池是把化學能直接轉換為電能的裝置。燃料電池一般由陰極、電解質和陽極組成燃料電池一般由陰極、電解質和陽極組成 陽極電解質陰極燃料氧氣水、尾氣水、尾氣整理課件二、燃料電池（二、燃料電池（Fuel Cell）與電池）與電池(Battery)的定義、分類與異同點的定義、分類與異同點Battery and Full Cell 將化學能轉換為電能；將化學能轉換為電能；電池電池是能量是能量存儲存儲裝置；裝置；燃料電池燃料電池是能量是能量轉換轉換裝置裝置整理課件電電池分池分類類 化化學學電池電池 一次電池一次電池：堿堿性電池、碳鋅電池、鋰電池、氧性電池、碳鋅電池、鋰電池、氧化銀

7、電池、水銀電池化銀電池、水銀電池 二次電池二次電池：鉛酸電池、：鉛酸電池、鎳鎳鎘電池、鎘電池、鎳氫鎳氫電池、電池、鋰鋰電池電池 燃料電池燃料電池： 物理電池物理電池 太太陽陽能電池能電池 熱感應熱感應電力電池電力電池 原子力電池原子力電池整理課件三、燃料電池的特點三、燃料電池的特點1 1、高效率、高效率 理論上可達到理論上可達到9090的轉換率的轉換率 不受卡偌循環的限制不受卡偌循環的限制 發電的同時可以得到熱水或蒸氣發電的同時可以得到熱水或蒸氣整理課件 2 2、環境效益好、環境效益好 據統計，因環境污染造成的死亡已經超據統計，因環境污染造成的死亡已經超過了戰爭的死亡人數！過了戰爭的死亡人數！

8、整理課件 標準污染物質美國實際平均排放 /kg/(MW.h)燃料電池排放量 /kg/(MW.h)NOx 3.470.0073CO0.1540.01活性有機物ROG0.1540.00018SOx7.300顆粒物PM100.210CO21.100.513表 10.3 普通發電技術與燃料電池的污染的比較整理課件3 3、操作性能好、靈活性強、操作性能好、靈活性強4 4、發展潛力大、發展潛力大問題問題：1 1、市場價格貴、市場價格貴2 2、高溫時壽命及穩定性不理想、高溫時壽命及穩定性不理想3 3、燃料電池技術還需發展、燃料電池技術還需發展整理課件 四、燃料電池的發展簡史四、燃料電池的發展簡史1839年：

9、年：W.Grove進行了電化學實驗，發進行了電化學實驗，發 現電解硫酸時有氫氣、氧氣放出現電解硫酸時有氫氣、氧氣放出1894年：年：W.Ostwald證明：證明： 燃料的低溫電化學氧化優于高溫燃燒；燃料的低溫電化學氧化優于高溫燃燒； 電化學電池電化學電池的的能量轉換效率能量轉換效率高于高于熱機熱機 整理課件1933年：年：Baur提出以氫氣為燃料，堿性電解質提出以氫氣為燃料，堿性電解質 為電解質。為電解質。1950年：年： F.Bacon開發了多孔鑷電極，試制成功開發了多孔鑷電極，試制成功第一個千瓦級堿性燃料電池系統。第一個千瓦級堿性燃料電池系統。1960年：年： NASA的的Apollo計劃

10、選用了計劃選用了 Fuel Cell 。 1970年：年： K.Kordesch裝配了氫裝配了氫空氣堿性燃空氣堿性燃料電池的汽車。料電池的汽車。整理課件燃料電池的核心部分是電解質材料，燃料燃料電池的核心部分是電解質材料，燃料電池的發展已經歷了電池的發展已經歷了3個時代、五個大類：個時代、五個大類：堿性燃料電池堿性燃料電池和和磷酸燃料電池磷酸燃料電池；熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池和和質子交換膜燃料質子交換膜燃料電池電池；固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）。 整理課件整理課件一般用燃料電池的電解質材料進行分類：一般用燃料電池的電解質材料進行分類：堿性燃料電池（堿性燃料電池（

11、Alkaline Fuel Cell, AFC）磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（Phosphorous Fuel Cell, PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)質子交換膜燃料電池（質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Fuel Cell, PEMFC）固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）。 整理課件AFC主要用于空間科學；主要用于空間科學；PAFC已經達到已經達到1.311 MW；MCFC and SOFC適合共發電；適合共發電；PEMFC發展很

12、快，但成本高。發展很快，但成本高。整理課件低溫型低溫型 PEMFC(80-100 0C) AFC(60-220 0C) PAFC(180-200 0C) 中溫型中溫型 MCFC(650 0C) 高溫型高溫型 SOFC(1200 0C) 整理課件1、堿性、堿性燃料燃料電電池池(AFC)整理課件AFC的優點 首先用于太空首先用于太空計劃計劃 使用使用KOH為為電解質電解質 使用非貴重金屬為電極觸媒種類多價格使用非貴重金屬為電極觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等又便宜，例如銀、鎳等 操作時所需溫度操作時所需溫度100oC250oC 化學反應快且轉換效率好化學反應快且轉換效率好 電解質必須是液態電解質

13、必須是液態整理課件AFC的缺的缺點點 燃料必須是高純度的燃料必須是高純度的氫氫 AFC電池的電池的電電解質，易解質，易與與空空氣氣中的二氧中的二氧化碳結合形成化碳結合形成氫氫氧化鉀，影氧化鉀，影響響電解質的電解質的品質，品質，導導致致發發電性能衰退電性能衰退 整理課件2、質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池(PEMFC)整理課件PEMFC的優點的優點Polymer Electrolyte Membrane (PEMFC) Proton Exchange Membrane (PEFC) 高電力密度、低重量、低高電力密度、低重量、低體積體積 電解質為電解質為離子離子交換膜，薄膜的表面涂有可以交換膜

14、，薄膜的表面涂有可以加速反應之加速反應之觸媒觸媒（大部分為白金）（大部分為白金） 唯一液唯一液體體是水，腐蝕問題小是水，腐蝕問題小 操作溫度低操作溫度低,介于介于80至至100之間，安全上之之間，安全上之顧慮顧慮較低較低 適用于交通工具、建筑物與小型小區適用于交通工具、建筑物與小型小區整理課件質子交換膜燃料電池的缺質子交換膜燃料電池的缺點點 觸媒白金價格昂貴，減少使用量，操作觸媒白金價格昂貴，減少使用量，操作溫度會提升溫度會提升 白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現象，因此比較不適合用在大型發電廠象，因此比較不適合用在大型發電廠整理課件 PAFC示意圖示意圖3、

15、磷酸型燃料電池磷酸型燃料電池整理課件PAFCPAFC的優點的優點 該燃料電池大都運用在大型發電該燃料電池大都運用在大型發電機機組上而且已商業化生產組上而且已商業化生產 電解質為電解質為100100濃度磷酸濃度磷酸 操作溫度大約為操作溫度大約為150150到到220220之間之間 溫度高所以溫度高所以廢熱廢熱可回收再利用可回收再利用 觸媒為白金觸媒為白金整理課件PAFC的缺的缺點點 白金白金價格價格昂貴昂貴 電極容易受電極容易受COCO毒化毒化 成本居高不下成本居高不下整理課件 4、熔融熔融碳酸碳酸鹽鹽燃料電燃料電池池(MCFC) 整理課件MCFC的優點的優點 電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽

16、電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等堿性碳酸鹽 電極方面使用具透氣性之多孔質的鎳。電極方面使用具透氣性之多孔質的鎳。 操作溫度約為操作溫度約為600600至至700700不需重組器不需重組器 廢廢熱可回收再使用，發電效率高適合于中熱可回收再使用，發電效率高適合于中央集中型發電央集中型發電廠廠。 價格較低價格較低整理課件MCFC的缺點 操作溫度高操作溫度高導導致電極容易腐蝕而減低使致電極容易腐蝕而減低使用用壽命。壽命。整理課件5、固體、固體氧化物氧化物燃料電燃料電池池(SOFC)整理課件第十章 固體氧化物燃料電池SOFC的優點的優點 發電效率高發電效率高，直接把化學能轉變為電能，直接把化學能轉變為電能，不受

17、卡諾循環限制，理論效率可達不受卡諾循環限制，理論效率可達80%； 可使用多種燃料可使用多種燃料：氫氣、甲烷、天然氣等：氫氣、甲烷、天然氣等 排放排放高溫余熱可進行綜合利用高溫余熱可進行綜合利用，易于實現，易于實現熱電聯產，燃料利用率高；熱電聯產，燃料利用率高； 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池低噪聲，低排放，是清潔能源；低噪聲，低排放，是清潔能源；重量輕，體積小，比功率高重量輕，體積小，比功率高（600W/kg）。有較高的電流密度和功率）。有較高的電流密度和功率密度，較小的極化損失和歐姆損失；密度，較小的極化損失和歐姆損失；不用貴金屬，不存在液態電解質腐蝕及不用貴金屬，不存在液態電解質腐蝕及

18、封接問題。封接問題。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池SOFC具有巨大的市場潛力，可用于發電，具有巨大的市場潛力，可用于發電，替代火力發電，可將發電率由目前的替代火力發電，可將發電率由目前的40%左右提高到左右提高到85%，實現熱電聯產將會產生，實現熱電聯產將會產生極大的經濟效益。極大的經濟效益。SOFC還可以用作醫院、居民區、礦山等還可以用作醫院、居民區、礦山等小區域以及軍艦等移動目標的供電電源。小區域以及軍艦等移動目標的供電電源。大規模的大規模的SOFCs是單電池通過各種結構堆是單電池通過各種結構堆疊而成的電池組。疊而成的電池組。 整理課件SOFC的缺的缺點點 操作溫度高導致電池啟動慢，

19、需要更多的保溫設備以維持電池高溫 不適用于交通工具與隨身攜帶整理課件表104 主要燃料電池及其特性 AFCPEMFC PAFCMCFCSOFC電解質電解質KOHPEM磷酸磷酸Li2CO3-K2CO3YSZ電解質電解質形態形態液體液體固體固體液體液體液體液體固體固體陽極陽極Pt/NiPt/CPt/CNi/AlNi/YSZ陰極陰極Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO3工作溫工作溫度。度。502006080150220650十十001100應用應用空間空間電站、電站、車車電站電站車車共發電共發電共發電共發電整理課件整理課件其他燃料電池： 1） 直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，通過與氧

20、結合產生電流。優以甲醇為燃料，通過與氧結合產生電流。優點是直接使用甲醇，省去了氫的生產與存儲。點是直接使用甲醇，省去了氫的生產與存儲。 其其電化學轉化過程又可分為兩種方式，一電化學轉化過程又可分為兩種方式，一種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。種是直接燃料電池，另一種是間接燃料電池。 整理課件 直接燃料電池主要是甲直接燃料電池主要是甲醇在陽極被電解為氫和二醇在陽極被電解為氫和二氧化碳，氫通過質子膜到氧化碳，氫通過質子膜到陰極與氧氣反應并同時產陰極與氧氣反應并同時產生電流。生電流。間接燃料電池是先將甲醇間接燃料電池是先將甲醇進行煉解或重整得到氫，進行煉解或重整得到氫，然后再由氫和氧通過質子然

21、后再由氫和氧通過質子膜電解槽反應而獲得供給膜電解槽反應而獲得供給汽車動力的電能。汽車動力的電能。 整理課件直接甲醇燃料電池世界最小的甲醇燃料電池 燃料電池理燃料電池 日本則武公司的產品在改進后，達到了日本則武公司的產品在改進后，達到了160mW/cm2的高功率的高功率密度，性能約為原來的密度，性能約為原來的1.5倍。倍。 則武公司從事燃料直接使用液態甲醇的則武公司從事燃料直接使用液態甲醇的DMFC電解質膜的開發，電解質膜的開發，由于由于DMFC具有無需燃料改質器、可在低溫下工作等優點具有無需燃料改質器、可在低溫下工作等優點整理課件甲醇燃料電池 整理課件2、氫氧燃料電池 在酸性溶液中在酸性溶液中

22、負極：負極：H H2 2+2H+2H2 2O-2e2HO-2e2H3 3O O+ + 在堿性溶液中在堿性溶液中負極：負極：H H2 2+2OH+2OH- -2e2H-2e2H2 2O O 因此，無論采用酸性還是堿因此，無論采用酸性還是堿性電解液，氫氧燃料電池的性電解液，氫氧燃料電池的總反應可表示為：總反應可表示為： 2H2+O2-H2O2H2+O2-H2O這一反應的實質是氫的燃燒反應，氫是一種燃料，而氧則是一種氧化劑。所以，在燃料電池中，負極上進行燃料的氧化過程，而正極上進行氧化劑的還原過程。燃料電池的負極常常又被稱作“燃料電極”，它是燃料電池的主要工作電極，正極又被稱作“氧化劑電極”，燃料電

23、池中常用的氧化劑是空氣中的氧。整理課件 在燃料極中，供給的燃料氣體中的在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成分解成H+ 和和e- ，H+ 移動到電移動到電解質中與空氣極側供給的解質中與空氣極側供給的O2發生反應。發生反應。e- 經由外部的負荷回路，再反回經由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了e- 不間斷地經不間斷地經由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（由外部回路，因而就構成了發電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，）可以看出，由由H2 和和O2 生成的生成的H2O ，除此以外沒有其他的

24、反應，除此以外沒有其他的反應，H2 所具有的化學能所具有的化學能轉變成了電能。轉變成了電能。整理課件再生氫氧燃料電池將再生氫氧燃料電池將水電解技術水電解技術（電能（電能2H2H2 2O O2 2H H2 2O O2 2）與）與氫氧燃料電池技術氫氧燃料電池技術（2H2H2 2O O2 2H H2 2O O電能）相結合電能）相結合氫氧燃料電池的燃料氫氧燃料電池的燃料H H2 2、氧化劑、氧化劑O O2 2可通過水電可通過水電解過程得以解過程得以“再生再生”，起到蓄能作用。，起到蓄能作用。整理課件燃料電池應用燃料電池應用整理課件 新的水燃料電池將是世界上新的水燃料電池將是世界上最小的具備最小的具備2

25、瓦輸出能力的電瓦輸出能力的電池。池。 這種電池利用這種電池利用DoCoMo公司公司的的recharger技術和技術和Aquafairy公司的薄膜技術將水中的氫公司的薄膜技術將水中的氫分離出來，分離出來， 而放電時氫也發而放電時氫也發生化學反應重新變成水。生化學反應重新變成水。 與鋰離子電池相比，與鋰離子電池相比， 水燃料水燃料電池的充電時間相當，電池的充電時間相當， 容量容量則大上數倍，則大上數倍， 因此手機的待因此手機的待機時間也可以延長至數星期機時間也可以延長至數星期乃至一兩個月，乃至一兩個月， 通話時間也通話時間也可以不再用小時計算。可以不再用小時計算。 整理課件 東芝展出其設計研發的東

26、芝展出其設計研發的筆記本燃料電池，新型筆記本燃料電池，新型燃料電池采用甲醇作為燃料電池采用甲醇作為燃料，通過化學反映產燃料，通過化學反映產生電能。生電能。與采用鋰電池的東芝公與采用鋰電池的東芝公司自己生產的筆記本電司自己生產的筆記本電腦相比，腦相比，50CC的甲醇的甲醇可以連續使用可以連續使用5小時，小時，超過鋰電池兩倍以上。超過鋰電池兩倍以上。 整理課件東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機東芝展示的燃料電池供電的筆記本樣機 整理課件整理課件 日前，韓國的第一大化工公司日前，韓國的第一大化工公司LG化工已成功研制出可持續化工已成功研制出可持續使用使用10小時的筆記本燃料電池。小時的筆記本燃料電池

27、。 該燃料電池總體上比較便該燃料電池總體上比較便于攜帶。于攜帶。整理課件 日立近期開發出如日立近期開發出如AA電池一般大小的燃料電池，內電池一般大小的燃料電池，內藏藏50立方厘米的甲醇，能讓普通的立方厘米的甲醇，能讓普通的PDA產品堅持使產品堅持使用用6-8個小時。個小時。 整理課件 燃料電池汽車燃料電池汽車 （FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle)整理課件 燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。力的電力車輛。 燃料電池把氫氣和氧氣轉化成電能，它所燃料電池把氫氣和氧氣轉化成電能，它所產生的副產品只有水和熱。產生的副產品只

28、有水和熱。 它摒棄了復雜的變速箱等動力傳動裝置，它摒棄了復雜的變速箱等動力傳動裝置，4 4臺由燃料電池驅動的電機直接同車輪相連推臺由燃料電池驅動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。動汽車行走。 整理課件 燃料汽車示意圖燃料汽車示意圖整理課件 燃燃 料料 電電 池池 汽汽 車車 的的 特特 點點1、效率高效率高 燃料電池汽車路試時可以達到燃料電池汽車路試時可以達到4050%的效的效率而普通汽車只有率而普通汽車只有1016%。燃料電池汽車。燃料電池汽車總效率比混合動力汽車也要高。總效率比混合動力汽車也要高。2、環保環保燃料電池電動汽車僅排放熱和水燃料電池電動汽車僅排放熱和水高效、高效、環境友好的清潔

29、汽車。環境友好的清潔汽車。3、可持續發展可持續發展燃料電池可節省石油。目前全世界對石油的燃料電池可節省石油。目前全世界對石油的依存度，超過警戒線依存度，超過警戒線30%，預計，預計2020年年60%。整理課件 燃料電池汽車的研發進展燃料電池汽車的研發進展 在全球溫室效應與能源問題逐漸受到各國在全球溫室效應與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規漸趨嚴格，政府的重視下，主要國家之污染法規漸趨嚴格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。因此對低污染車輛之需求勢必增加。因而汽車業界近年來一直致力于開發氫燃料電因而汽車業界近年來一直致力于開發氫燃料電池車。其中較為領先的有美國通用、日本豐田池車

30、。其中較為領先的有美國通用、日本豐田和本田等。和本田等。 國內有上海的超越號，東風的楚天國內有上海的超越號，東風的楚天一號。一號。整理課件通用通用Hy-wire氫動三號氫動三號 由由200塊相互串聯在一起的燃料電池塊組成的電池組產生電塊相互串聯在一起的燃料電池塊組成的電池組產生電力，通過力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產生的電能輸入電動機后，通過功率為產生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦千瓦/82馬力三相異步馬力三相異步電機驅動車輛行駛，并幾乎不產生任何噪音。一次充氣行駛里電機驅動車輛行駛，并幾乎不產生任何噪音。一次充氣

31、行駛里程分別可達程分別可達400公里和公里和270公里。公里。 整理課件通用Hy-wire氫動三號的電池組整理課件 通用汽車氫通用汽車氫燃料電池車燃料電池車SequelSequel可連續行駛可連續行駛300英里，且能夠在英里，且能夠在10秒內由靜止狀態加速到秒內由靜止狀態加速到60英里英里/小時。車輛加速時備用高壓鋰電池系統可向三只驅動電機提小時。車輛加速時備用高壓鋰電池系統可向三只驅動電機提供額外動力；車輛剎車時鋰電池系統可以用來儲存剎車時回收的能供額外動力；車輛剎車時鋰電池系統可以用來儲存剎車時回收的能量以提高車輛的連續行駛能力。量以提高車輛的連續行駛能力。 整理課件 奔馳公司的燃料奔馳公

32、司的燃料電池車電池車“B-Cell”。馬達輸出功率達馬達輸出功率達100kW以以上。充氫壓力為上。充氫壓力為70MPa，持續行駛距離大約為持續行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電。充電電池是鋰電池，輸出功率為池，輸出功率為20kW。整理課件 同濟大學參與研制的燃料電池發動機。它能在同濟大學參與研制的燃料電池發動機。它能在14秒內加速到秒內加速到80公里，最公里，最高時速達高時速達110公里，可連續行駛公里，可連續行駛210公里。在車后行李箱內，放置的是可公里。在車后行李箱內，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進入反應器，和空氣中的氧氣結充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進入反應器

33、，和空氣中的氧氣結合釋放能量，提供汽車前進的動力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采合釋放能量，提供汽車前進的動力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采用了鋁板碳纖維的特殊材料，里面層層設防。為安全起見，在后廂內還用了鋁板碳纖維的特殊材料，里面層層設防。為安全起見，在后廂內還安裝了監測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報警。經測試該車在污染安裝了監測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報警。經測試該車在污染排放、排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經濟性方面達到排放、噪聲、蛇行和燃料經濟性方面達到A級水平。級水平。超越二號整理課件 燃料電池汽車尚需解決的問題燃料電池汽車尚需解決的問題1、整車的開發設計、整車的開發設

34、計2、車用燃料氫，其制備、儲存和分配等環節、車用燃料氫，其制備、儲存和分配等環節都存在問題都存在問題3、電池系統性能有待提高，有小型化和輕型、電池系統性能有待提高，有小型化和輕型化要求化要求5、成本高，現有、成本高，現有50KW質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池發動機的成本為發動機的成本為300美元美元/KW，是內燃機的，是內燃機的10倍倍整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 10.2 10.2 固體燃料電池工作原理固體燃料電池工作原理 一、法拉第原則一、法拉第原則 在氫氧電池中，有關的電化學反應為：在氫氧電池中，有關的電化學反應為： 陽極：陽極： eHH222整理課件第十章 固體氧化物燃料電

35、池 陰極：陰極： 整個電池：整個電池： OHeHO222221OHOH22221整理課件第十章 固體氧化物燃料電池連接陽極和陰極，可以得到的電流大小為：連接陽極和陰極，可以得到的電流大小為： I為電流，單位為安培為電流，單位為安培A N為反應中交換的電子數（此時為反應中交換的電子數（此時n=2） F為法拉第常數，為法拉第常數，F=十十6500 c/mol Q為所需氫氣的流量，單位為為所需氫氣的流量，單位為mol/sQFnI整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 陽極陽極電解質陰極O2H2Oe-e-H2H+整理課件第十章 固體氧化物燃料電池二、燃料電池的等效電路二、燃料電池的等效電路 燃料電池的兩極

36、之間接上外部電阻，可燃料電池的兩極之間接上外部電阻，可以得到電流，其等效電路為：以得到電流，其等效電路為： 外部負荷電阻R等效靜電電容C阻抗損失電阻Rohm陽極損失電阻Ra陰極損失電阻Rc電流I整理課件第十章 固體氧化物燃料電池燃料電池加入負載后，有電池電壓：燃料電池加入負載后，有電池電壓：R RI I 其中：燃料電池的理論電位為其中：燃料電池的理論電位為E E IRIRIREIRohmac整理課件第十章 固體氧化物燃料電池三、燃料電池的理論效率和理論電位三、燃料電池的理論效率和理論電位 理想燃料電池的輸出功率為：理想燃料電池的輸出功率為：EI 實際燃料電池的輸出功率為：實際燃料電池的輸出功率

37、為：RI2燃料電池的理論效率為：燃料電池的理論效率為： 0298HGth整理課件第十章 固體氧化物燃料電池其中：其中： 為燃料電池反應的標準生成為燃料電池反應的標準生成吉布斯能的變化，單位為吉布斯能的變化，單位為kJ/molkJ/mol 為為298K298K下燃料電池反應的標準生下燃料電池反應的標準生成焓的變化，單位為成焓的變化，單位為kJ/molkJ/mol G0298H整理課件第十章 固體氧化物燃料電池燃料電池的理論電位：燃料電池的理論電位：FnGE00整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 利用熱力學數據，可以計算出實驗不利用熱力學數據，可以計算出實驗不同燃料時的理論電位同燃料時的理論電位E

38、 E和理論效率和理論效率 : : 燃 料理論電位/V 理論效率/%氫氣1.2383甲烷1.06十2一氧化碳1.33十1碳1.02100甲醇1.21十7整理課件第十章 固體氧化物燃料電池10.3 SOFC10.3 SOFC的結構的結構SOFCSOFC主要由電解質層、陽極和陰極所組成，主要由電解質層、陽極和陰極所組成，在電解質兩側加上陽極和陰極，成為三明在電解質兩側加上陽極和陰極，成為三明治式結構，這是治式結構，這是SOFCSOFC的最基本的結構之一。的最基本的結構之一。根據電解質膜形狀的不同，根據電解質膜形狀的不同，SOFCSOFC結構可分結構可分為：平板式、管式、瓦楞式、塊狀式，還為：平板式、

39、管式、瓦楞式、塊狀式，還有經過改造的有經過改造的S S型。型。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 圖圖10-1 SOFC的三明治式結構的三明治式結構 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池平板式平板式 這種這種SOFCSOFC的電解質、陽極和陰的電解質、陽極和陰極都是平板狀極都是平板狀由陽極由陽極- -電解質電解質- -陰極組成單電池，單電池陰極組成單電池，單電池之間通過連接材料堆積連接起來，稱為電之間通過連接材料堆積連接起來，稱為電池堆。池堆。可以把電池堆當成一個基本模塊，模塊的可以把電池堆當成一個基本模塊，模塊的組合就構成發電裝置，其組合方式、數量組合就構成發電裝置，其組合方式、數量可以非常

40、靈活改變，從而得到不同規模的可以非常靈活改變，從而得到不同規模的發電裝置。發電裝置。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池這種結構形成雖然靈活，但需要密封，電這種結構形成雖然靈活，但需要密封，電池堆拆卸后無法再使用。池堆拆卸后無法再使用。電池堆運行的氣密性檢測較困難，一旦漏電池堆運行的氣密性檢測較困難，一旦漏氣或者出現損壞，很難檢測和修復，意味氣或者出現損壞，很難檢測和修復，意味著整個電池堆會報廢。著整個電池堆會報廢。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 圖圖10-2 平板狀結構平板狀結構 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 圖10.3 管式結構整理課件第十章 固體氧化物燃料電池瓦楞狀瓦楞狀 在同

41、樣的空間體積里，如果將電解質形狀在同樣的空間體積里，如果將電解質形狀做成瓦楞狀，將使電解質表面反應面積增做成瓦楞狀，將使電解質表面反應面積增大，從而提高單電池的輸出功率。大，從而提高單電池的輸出功率。這種結構比平板狀復雜，制作難度較大。這種結構比平板狀復雜，制作難度較大。一般是將陽極或者陰極做成瓦楞狀，然后一般是將陽極或者陰極做成瓦楞狀，然后再進行下一步制作。再進行下一步制作。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 圖圖10.4 瓦楞狀結構瓦楞狀結構 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池塊狀式塊狀式 由俄羅斯科學家發明的一種結構，其構思由俄羅斯科學家發明的一種結構，其構思具有獨到之處，基本上不存在

42、密封性問題，具有獨到之處，基本上不存在密封性問題，模塊組裝也很容易。首先將陰極做成猶如模塊組裝也很容易。首先將陰極做成猶如暖氣片那樣的結構，再在其外側沉積電解暖氣片那樣的結構，再在其外側沉積電解質模和陽極，后續工藝技術與管狀結構相質模和陽極，后續工藝技術與管狀結構相類似。類似。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池S S型型 我國科學家發明的一種結構，已取得中國我國科學家發明的一種結構，已取得中國專利。專利。基本結構是在平板式基礎上經過改造而成，基本結構是在平板式基礎上經過改造而成，在陽極和陰極的氣體通道上，由原先的直在陽極和陰極的氣體通道上，由原先的直通道改為通道改為S S通道，達到增大電極反

43、應面積的通道，達到增大電極反應面積的目的，以提高單電池的電流密度和輸出功目的，以提高單電池的電流密度和輸出功率。率。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池 圖圖10.5 S型結構型結構1-支撐體；支撐體；2-蛇形溝槽；蛇形溝槽；3-陽極；陽極；4-電解質；電解質；5-陰極陰極整理課件第十章 固體氧化物燃料電池平板狀結構是最早開始采用的結構，技術平板狀結構是最早開始采用的結構，技術成熟程度較高，典型產品為西門子成熟程度較高，典型產品為西門子- -西屋公西屋公司的平板狀司的平板狀SOFCSOFC發電裝置，輸出功率可達發電裝置，輸出功率可達幾十千瓦級。幾十千瓦級。管狀結構是目前管狀結構是目前SOFCSO

44、FC的主要結構，各大公的主要結構，各大公司都有很多專利技術。百千瓦級管狀司都有很多專利技術。百千瓦級管狀SOFCSOFC已經開始運行，正向著技術成熟化、低成已經開始運行，正向著技術成熟化、低成本化、實用化方向發展。兆瓦級本化、實用化方向發展。兆瓦級SOFCSOFC正在正在研制中。研制中。俄羅斯塊狀結構俄羅斯塊狀結構SOFCSOFC也很有發展前途。也很有發展前途。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池10.4 SOFC用固體電解質材料用固體電解質材料目前，目前，SOFC所用的電解質材料主要有氧化鋯基、所用的電解質材料主要有氧化鋯基、氧化鈰基、氧化鉍基、鈣鈦礦基等電解質材料。氧化鈰基、氧化鉍基、鈣鈦

45、礦基等電解質材料。 氧化鋯基電解質氧化鋯基電解質ZrO2是是SOFC中最常用的電解質之一，穩定化的中最常用的電解質之一，穩定化的氧化鋯是良好的氧離子導體。目前，使用最多的氧化鋯是良好的氧離子導體。目前，使用最多的是是8% （mol） Y2O3穩定的穩定的ZrO2 。 8% Y2O3 ZrO2 （8YSZ）整理課件第十章 固體氧化物燃料電池純純ZrO2室溫下是單斜晶體結構，在室溫下是單斜晶體結構，在2370時變成立方相結構，同時產生時變成立方相結構，同時產生7%的體積收的體積收縮，當溫度下降時，則又產生逆相變而恢縮，當溫度下降時，則又產生逆相變而恢復單斜晶系結構。因此，當溫度變化時，復單斜晶系結

46、構。因此，當溫度變化時，ZrO2晶體結構是不穩定的。晶體結構是不穩定的。 通過固溶一些二價或三價的氧化物（如通過固溶一些二價或三價的氧化物（如CaO、MgO、Y2O3等），都可以使等），都可以使ZrO2立立方結構在室溫到熔點范圍內穩定，同時可方結構在室溫到熔點范圍內穩定，同時可以增加氧空位濃度，大大提高其離子導電以增加氧空位濃度，大大提高其離子導電能力，從而使穩定的氧化鋯適用于高溫燃能力，從而使穩定的氧化鋯適用于高溫燃料電池的電解質材料。料電池的電解質材料。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池Zr4+的半徑為的半徑為0.072mm，而，而Y3+的半徑為的半徑為0.089mm，顯然只能占據原來，

47、顯然只能占據原來Zr4+的位置的位置而不能占據填隙的位置，從而導致晶格出而不能占據填隙的位置，從而導致晶格出現陰離子缺位。現陰離子缺位。這些陰離子缺位使晶格發生畸變，使周圍這些陰離子缺位使晶格發生畸變，使周圍氧離子遷移所需克服的勢壘高度大大降低，氧離子遷移所需克服的勢壘高度大大降低，即只需少量的激活能就能躍遷形成載流子，即只需少量的激活能就能躍遷形成載流子，因此因此YSZ具有較好的導電能力。具有較好的導電能力。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池當當Y2O3濃度在濃度在9%（mol）左右時）左右時YSZ陶瓷陶瓷導電性能最好。實驗證明，摻雜導電性能最好。實驗證明，摻雜8%（mol）Y2O3時時Z

48、rO2在在1000時的電導率為時的電導率為0.088 S/cm。基于上述，世界上幾家著名公司，像西屋基于上述，世界上幾家著名公司，像西屋公司、飛利浦公司、三菱重工、東燃公司、公司、飛利浦公司、三菱重工、東燃公司、富士電機、三洋電機等，制造富士電機、三洋電機等，制造SOFC時電時電解質材料都是選用解質材料都是選用YSZ。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池但是但是YSZ作電解質也有許多不足之處：作電解質也有許多不足之處：以以ZrO2為基的電解質在低溫下的比電阻過為基的電解質在低溫下的比電阻過大，電流密度為大，電流密度為I=150mA/cm2時內阻和電時內阻和電極極化引起的電壓降將高達極極化引起的電

49、壓降將高達0.2V，這個損，這個損失是很大的，所以必須工作在失是很大的，所以必須工作在1000以上以上的溫度下，才能獲得比較大的電導率。的溫度下，才能獲得比較大的電導率。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池由于工作溫度太高，產生了一系列的問題：由于工作溫度太高，產生了一系列的問題：電解質與陰極、陽極和聯接體之間的熱膨脹系數應電解質與陰極、陽極和聯接體之間的熱膨脹系數應具有良好的匹配性；具有良好的匹配性；陰極材料、陽極材料、聯接材料要有高的熱穩定性；陰極材料、陽極材料、聯接材料要有高的熱穩定性；高溫下材料選用受限，電極與電解質發生反應使電高溫下材料選用受限，電極與電解質發生反應使電池性能下降。池性

50、能下降。從能量收支平衡原則來看，從能量收支平衡原則來看，ZrOZrO2 2基固體電解質燃料基固體電解質燃料電池還存在壽命短和成本高的問題，需要降低制造電池還存在壽命短和成本高的問題，需要降低制造成和延長使用壽命。成和延長使用壽命。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池為了降低電池的工作溫度，以降低電池制為了降低電池的工作溫度，以降低電池制造和使用技術難度，提高電池效率及使用造和使用技術難度，提高電池效率及使用壽命，必須尋找一種可替代的中溫電解質壽命，必須尋找一種可替代的中溫電解質材料，電池工作溫度在材料，電池工作溫度在800或者更低。或者更低。目前，已發現了幾種中溫電解質材料：目前，已發現了幾種中

51、溫電解質材料：氧化鈰基電解質材料、氧化鈰基電解質材料、氧化鉍基電解質材料、氧化鉍基電解質材料、摻雜摻雜LaGaO3（LSGM）電解質材料等。）電解質材料等。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池氧化鈰基電解質材料氧化鈰基電解質材料 以氧化鈰為基的陶瓷介質早在以氧化鈰為基的陶瓷介質早在3030多年前就多年前就已經被發現。已經被發現。CeOCeO2 2本身具有穩定的螢石結構，不像本身具有穩定的螢石結構，不像ZrOZrO2 2需要添加穩定劑，而且比需要添加穩定劑，而且比Y Y2 2O O3 3穩定的穩定的ZrOZrO2 2具具有更高的離子電導率和較低的電導活化能，有更高的離子電導率和較低的電導活化能，是

52、一種優良的氧離子導體。是一種優良的氧離子導體。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池純純CeOCeO2 2是一種具有幾乎相同的氧離子、電是一種具有幾乎相同的氧離子、電子及空位電導的混合導體。通過摻雜子及空位電導的混合導體。通過摻雜NaNa2 2O O、CaOCaO、SrOSrO可以顯著提高電導率。可以顯著提高電導率。有人研究了堿土氧化物（如有人研究了堿土氧化物（如CaoCao、SrOSrO、MgOMgO、BaOBaO）作添加劑在氧化鈰中的效應，發現）作添加劑在氧化鈰中的效應，發現CaOCaO、SrOSrO的添加提高了氧離子電導率，降的添加提高了氧離子電導率，降低了活化能。低了活化能。整理課件第十章

53、 固體氧化物燃料電池用稀土氧化物摻雜用稀土氧化物摻雜CeO2，電導率也會大大提高。，電導率也會大大提高。如（如（CeO2）0.8（Sm2O3）0.2在在1000的電導率達的電導率達2.510-1S/cm同溫度時（同溫度時（ZrO2）0.85（Y2O3）0.15的電導率為的電導率為0.910-1 S/cm，750時（時（CeO2）0.9（Gd2O3）0.1的電導率為的電導率為0.1 S/cm，可與，可與1100的的CaO摻雜摻雜ZrO2（CSZ）電導率相媲美。）電導率相媲美。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池氧化鈰是一種非常有應用前景的中溫電解氧化鈰是一種非常有應用前景的中溫電解質材料。質材料。

54、但是它也存在不利因素，但是它也存在不利因素，CeO2在低氧分壓在低氧分壓下，易由下，易由Ce4+轉化為轉化為Ce3+，產生電子電導，產生電子電導，降低燃料電池的效率。降低燃料電池的效率。為了保證為了保證CeO2的優點得到充分發揮，必須的優點得到充分發揮，必須解決解決Ce4+在還原性氣氛下轉變為在還原性氣氛下轉變為Ce3+這一這一問題。問題。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池氧化鉍基電解質材料氧化鉍基電解質材料 氧化鉍基電解質材料與其他材料相比，在氧化鉍基電解質材料與其他材料相比，在相同溫度下電導率最高，這是由它的結構相同溫度下電導率最高，這是由它的結構本性所決定的。本性所決定的。純氧化鉍有兩種

55、晶型結構：一是純氧化鉍有兩種晶型結構：一是Bi2O3，在低于在低于730溫度下是穩定的，為單斜結構，溫度下是穩定的，為單斜結構，是是p型導體；二是型導體；二是-Bi2O3，在，在730以上到以上到其熔點其熔點825范圍內穩定存在，并且具有立范圍內穩定存在，并且具有立方結構。方結構。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池螢石型的螢石型的-Bi-Bi2 2O O3 3具有具有25%25%的陰離子空位，因此呈的陰離子空位，因此呈現出非常高的現出非常高的O O2-2-導電性（在熔點附近大約為導電性（在熔點附近大約為1S/cm1S/cm），比穩定的），比穩定的ZrOZrO2 2的電導率高的電導率高2 2個數

56、量級。個數量級。氧化鉍之所以有如此高的離子傳導性，有以下兩氧化鉍之所以有如此高的離子傳導性，有以下兩種解釋：一是種解釋：一是BiBi3+3+和孤立電子對的高極化強度引和孤立電子對的高極化強度引起的；二是存在著比起的；二是存在著比ZrZr和氧氣之間更弱的金屬和氧氣之間更弱的金屬- -氧鍵，為空位提供了更大的移動空間。氧鍵，為空位提供了更大的移動空間。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池然而具有高氧離子電導的然而具有高氧離子電導的-Bi2O3相只在一個非常相只在一個非常窄的溫度范圍內（窄的溫度范圍內（730825）穩定存在。）穩定存在。伴隨伴隨相到相到相的轉變，發生體積變化并引發裂紋，相的轉變，發生

57、體積變化并引發裂紋，使材料性能惡化。使材料性能惡化。這樣，這樣，Bi2O3雖然具有高的離子電導率，但是在雖然具有高的離子電導率，但是在用作電解質時就受到很大的限制。用作電解質時就受到很大的限制。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池為了使為了使Bi2O3穩定在立方相，開展了大量的穩定在立方相，開展了大量的研究工作（例如通過摻雜），然而摻雜本研究工作（例如通過摻雜），然而摻雜本身卻又降低了身卻又降低了Bi2O3的離子電導，有時甚至的離子電導，有時甚至會產生更容易降低離子電導的菱方相。另會產生更容易降低離子電導的菱方相。另外，外，Bi2O3基材料在還原氣氛下的不穩定也基材料在還原氣氛下的不穩定也嚴重地

58、限制了它用作電解質材料。由于晶嚴重地限制了它用作電解質材料。由于晶相轉變造成的機械不穩定性也給實際應用相轉變造成的機械不穩定性也給實際應用帶來不便，尋找一種更為合適的中溫電解帶來不便，尋找一種更為合適的中溫電解質材料還有待人們進一步的研究。質材料還有待人們進一步的研究。 整理課件第十章 固體氧化物燃料電池摻雜摻雜LaGaO3(LSGM)電解質材料電解質材料 LaGaO3屬鈣鈦礦型（屬鈣鈦礦型（ABO3）氧化物，對）氧化物，對氧離子亞晶格有較高的容忍度。氧離子亞晶格有較高的容忍度。A、B位置可被低價陽離子置換，增大位置可被低價陽離子置換，增大A位位置換或提高溫度，容忍度因子提高，從而置換或提高溫

59、度，容忍度因子提高，從而減少基體所受的應力，防止減少基體所受的應力，防止LaGaO3由立方由立方相轉為單斜相。相轉為單斜相。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池實驗證明，摻雜實驗證明，摻雜Sr和和Mg可使可使LaGaO3保持在單一保持在單一立方鈣鈦礦結構。立方鈣鈦礦結構。由于這類晶體結構中半徑較小的由于這類晶體結構中半徑較小的B位陽離子居于位陽離子居于八面體中央，周圍有八面體中央，周圍有6個氧離子，體積較大的個氧離子，體積較大的A位位陽離子周圍有陽離子周圍有12個氧離子。如果其中一個陽離子個氧離子。如果其中一個陽離子被電價較低的陽離子代替，則為維持電中性，必被電價較低的陽離子代替，則為維持電中性

60、，必須產生氧離子空位，引起氧離子導電。須產生氧離子空位，引起氧離子導電。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池LSGM幾乎是單純的氧離子導體，當溫度幾乎是單純的氧離子導體，當溫度為為800、氧分壓、氧分壓Po2在在10-16105Pa范圍內，范圍內，它有較高的電導率，它有較高的電導率，0.1S/cm，而且長期，而且長期使用穩定性好，因而是一種很有發展潛力使用穩定性好，因而是一種很有發展潛力的中溫的中溫SOFC電解質材料。電解質材料。LSGM的主要問題是的主要問題是Ga的蒸發，成為其應的蒸發，成為其應用的障礙。用的障礙。整理課件第十章 固體氧化物燃料電池將以將以LSGM為電解質制作的單電池在一定的氧