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燃料电池的分类燃料电池的分类
FC类型 电解质 工作温度 技术状态 规模
AFC KOH 室温-200℃
高度发展,已在航天中成功
应用
1-100kW
PEMFC 全氟璜酸膜 室温-100℃
高度发展,应用于电动车、
潜艇等可移动动力源
1-300kW
DMFC 全氟璜酸膜 室温-200℃
正在开发,用于微型移动动
力源
1-1000kW
PAFC H3PO4 100-200 ℃ 高度发展,已用作分散电站 1-2000kW
MCFC (Li,K)CO3 600-700 ℃
正在进行现场实验,需延长
寿命,可以用于区域性供电
250-2000kW
SOFC
氧化铱稳定
的氧化锆
800-1000 ℃
需开发廉价制备技术,用于
区域供电,联合循环发电
1-100kW
11. DICP, CAS, China
我国研制的我国研制的碱性燃料电池系统性能碱性燃料电池系统性能
项 目 大连化学物理研究所
A型石棉膜型AFC
大连化学物理研究所
B型石棉膜型AFC
天津电源研究所
石棉膜型AFC
正常输出功率kW.台-1 0.50 0.30 0.3~0.5
峰值输出功率kW.台-1 1.0 0.6 0.7
工作电压 / V 28 ± 2 28 ± 2 28 ± 2
整机质量 / kg 40 60 50
整机体积 / cm3 22*22*90 39*29*57 50,000
寿命 / h > 450 > 1000 >500
氢氧气工作压力/MPa 0.15 ± 0.02 0.13∼0.18 (区间) 0.2±0.015
工作电流密度/
mA.cm-2
100 75 125
电解质KOH浓度/ % 40 40
排水方式 静态 静态 动态
启动次数 > 10 > 10 > 10
18. DICP, CAS, China
我国正在PEMFC领域开展工作
During 2002-2005, Fuel
Cell Buses and cars
were developed for test
and demonstration.
BK6110 BF6120 Citaro (DaimlerChrysler)
Max Speed ()
km/h
85 86 80
Acceleration
0-50 km/h (s)
25.5 30.9 20
Climb >20% >18% >20%
Rang (km) 250-300 250 200-250
Fuel Consumption
kg/100km
4-8 4.8-9.5 17-30
20. DICP, CAS, China
我国正在PEMFC领域开展工作
ChaoYue 3 Fokus FCV Hydrogen 3
Power 50kW+15Ah 75kW 75kW
Motor Power 65kW max 70kW max 70kW max
Max Speed 122 km/h 128 km/h 140 km/h
Acceleration 19(0-100) 15(0-100) 15(0-100)
Climb >20% >20% >20%
Rang 230 km 250 km 400 km (liq. H2)
Fuel Consumption 1.12kg/100km 1.76kg/100km 1.75kg/100km
26. DICP, CAS, China
达到指标与任务要求的对比
项目名称 指标 轿车 城市客车
功率 KW 30 75 40(46) 100(130)
质量比功率
W/KG
150 161 127
电池模块效率
%
50 52,4 56
电池系统效率
%
50 46,4 52,3
体积 满足装车要求 满足 满足
寿命 小时 1000小时,头1000小时
衰减2%
行驶大于一万公里 单车行驶大于一万公
里
加压电池:二十次工况循环,
行驶三千公里。
材料与部件开
发
碳纸需进口 碳纸需进口
成本 万元/千 1-1,5万元/千瓦 1-1,5万元/千瓦
27. DICP, CAS, China
DICP空气电极性能
十五进展十五进展
性能与国外商品化MEA 相当
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
CellVoltage(V)
Current Density (A/cm
2
)
Gore MEA
MEA_IV
MEA_III
Operation Condition:
TH2
=TAir
=60
o
C, Tcell=65oC
PH2
=PAir
=0.025MPa
H2
Utilization:80%
Air Utilization:40%
S=122cm
2
28. DICP, CAS, China
DICP电堆的低/加压性能与Ballard对
比
进气压力MPa 低压 0.1 0.2
膨胀石墨板(MEA_III)
V@500mA/cm2
0.67 0.725 0.74
膨胀石墨板(MEA_III)
V@1000mA/cm2 ⎯
0.610
@800mA/cm2 0.554
复合金属板(MEA_IV)
V@500mA/cm2
0.708 0.746 0.765
复合金属板(MEA_IV)
V@1000mA/cm2
0.608
@800mA/cm2
0.69
@800mA/cm2
0.653
BallardMK902模块
@1000mA/cm2
⎯ ⎯ 0.63
36. DICP, CAS, China
国内复合型质子交换膜的研究国内复合型质子交换膜的研究
开发价格低廉的部氟、非氟质子交换膜和Nafion/PTFE复合膜
SPEEK/PTFE复合膜
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
CellVoltage/V
Current Density / mA穋 m
-2
Nafion 115
sPTFS(329)/PTFE(60祄 )
sPTFS(867)/PTFE(60祄 )
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1
#
substrate membrane
2
#
substrate membrane
3
#
substrate membrane
Nafion 115 membrane
CellVoltage/V
Current Density mA/cm
2
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Voltage/V
Current Density / mAcm
-2
Nafion1135 (EW=1100)
SPEEK (EW=590)
全氟磺酸树脂 非氟树脂部份氟化磺酸树脂
38. DICP, CAS, China
高温自增湿复合增强膜
Water content of
membranes
(%)
Dimensional
change
(%)
NR212 Pt/SiO2 NR212 Pt/SiO2
40 10.71 34.15 6.3 1.5
60 21.08 38.73 10.0 2.5
80 26.16 53.54 25.2 6.7
Temp.
(℃)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
powerdewnsity,kW/cm
2
Cellpotential,V
Current density, A/cm
2
Pt/SiO2
-PEM
NRE212
T=90℃
0 500 1000 1500 2000 2500
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
powerdewnsity,kW/cm
2
Cellpotential,V
Current density, A/cm
2
Pt/SiO2
-PEM
NRE212
T=120℃干氢氧气运行 部分增湿运行
以多孔聚四氟膜增强的
Pt/SiO2与全氟树脂构成
44. DICP, CAS, China
模块化电池性能
尺寸
1100×400×250
140kg
性能
50kW @ <0.3 bar
80kW @ <2.0 bar
适于不同功率输出要求
0 200 400 600 800 1000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Tin
=55
o
C
?(H2)
/?air
=66% /40%
RH(H2)=60% , RH(air)=80%
0.2Mpa
0.1Mpa
0 Mpa
Current (mA/cm
2
)
Voltage(V)
0
5000
10000
15000
20000
25000
Power(W)
十五进展十五进展
46. DICP, CAS, China
大连化物所大连化物所 DMFCDMFC单电池性能单电池性能
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
50
100
150
200
250
300
350
CellVoltage/V
Current Density /mA/cm
2
O2
air
PowerDensity/mW/cm
2
The performance
of novel MEA at
90 ℃. 2M MeOH,
1ml/min; 0.2MPa
oxygen/air;
3.8mg/cm2 PtRu
black in anode;
2.3 mg/cm2 Pt
black in cathode
April 20, 2004
47. DICP, CAS, China
DMFC主要研究机构性能比较
Peak Power Density/Air
Temperature (°C)
PeakPowerDensity(mW/cm2)
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
DICP 1 atm
DICP 2 atm
Others 1 atm
Others 2 atm
Others 3 atm
Others 4-5 atm
MTI MicroFuel Cells
DICP
Motorola
Samsung
Los Alamos
JPL
JPL
DICP
Los Alamos
JPL
Johnson-Matthey
Los Alamos
CSE
(O2)
Source from Headwaters Nanokinetix Inc. USA, July 2003
52. DICP, CAS, China
SOFC技术研究
膜电极的构型 管型 平板型
面积比功率密度 低 高
(电池组)功率体积比 低 高
膜电极制备 复杂 容易
电池系统放大 分级模块式放大,容易 分堆式放大,较难
电池组装 可不用密封 需要密封(技术难点)
电池结构 串并联(可靠) 串联(可靠性问题)
发电系统规模 几十千瓦到兆瓦以上 适合于10kW 以下;
55. DICP, CAS, China
国内国内DICPDICP 管型管型 SOFCSOFC的研究的研究
0 2 4 6
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Current /A
Voltage/V
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
OutputPower/W
5cm电极,功率密度250mw/cm2
管型膜电极
56. DICP, CAS, China
国内平板型国内平板型SOFCSOFC的研究的研究
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
50
55
60
65
70
75
80
85
90
80-Cell Stack, H2-O2, 1000
o
C
电流 密度 / mA.cm
-2
电池组输出电压/V
V
0
20
40
60
80
100
120
功率密度/W.cm
-2
P.D.
1000oC时80节电池组
中科院上海硅酸盐所中科院上海硅酸盐所SOFCSOFC电池组及性能电池组及性能
57. DICP, CAS, China
国内新型膜电极微结构及性能
La0.4Ce0.6O2 ~25μm
LSGM层 ~75μm
(a) LaGaO3沿[001]p晶轴俯视晶胞结构的
晶胞结构
(b) La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85沿[001]p晶轴俯
视晶胞结构的晶胞结构
a b
阳极负载双层新型电解质薄膜电池的制备工艺 La0.6Sr0.4CoO3 ~80 μm
CeO2+NiO阳极~0.9 mm
大连化物所大连化物所
58. DICP, CAS, China
SOFC
国内新型膜电极微结构及性能
LDC-LSGM双层薄膜电解质电池的性能曲线
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
800
o
C
750
o
C
700
o
C
650
o
C
Current density /Acm-2
Voltage/V
Fuel: H2
oxidant: Air
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Powerdensity/Wcm-2
双层电解质电池的断面扫描电镜照片
大连化物所大连化物所