燃料電池基礎(chǔ)1.ppt

燃料電池基礎(chǔ) 本節(jié)主要內(nèi)容 7 1燃料電池及基本原理7 2燃料電池特征和分類 7 1燃料電池及基本原理 一 燃料電池發(fā)電 一種新的發(fā)電方式燃料電池發(fā)電不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電 其燃料不經(jīng)過燃燒 沒有復(fù)雜的從燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能 再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 最終轉(zhuǎn)化成電能的過程 而是直接將燃料 天然氣 煤制氣 石油等 中的氫氣借助于電解質(zhì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 在生成水的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電 因此其實(shí)質(zhì)是化學(xué)能發(fā)電 燃料電池發(fā)電被稱為是繼火力發(fā)電 水力發(fā)電 原子能發(fā)電之后的第4大發(fā)電方式 燃料電池與干電池和蓄電池區(qū)別 平時(shí)所說的干電池與蓄電他 沒有反應(yīng)物質(zhì)的輸入與生成物的排出 所以其壽命有一定限度 而燃料電池可以連續(xù)地對(duì)其供給反應(yīng)物 燃料 及不斷排出生成物 水等 因而可以連續(xù)地輸出電力 燃料電池的歷史 中國燃料電池研究 二 燃料電池發(fā)電原理及電池構(gòu)成 1 發(fā)電原理 在能量水平高的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生水時(shí) 首先氫氣放出電子 具有正電荷 同時(shí) 氧氣從氫氣中得到電子 具有負(fù)電荷 兩者結(jié)合成為中性的水 在氫與氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)中 發(fā)生電子的移動(dòng) 把電子的移動(dòng)取出 加到外部連接的負(fù)載上面 這種結(jié)構(gòu)即為燃料電池 燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置 燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器 二 燃料電池發(fā)電原理及電池構(gòu)成 2 燃料電池構(gòu)成 圖 氫氣反應(yīng)的地方為燃料極 燃料極為陽極 氧氣反應(yīng)的地方為空氣極 空氣極為陰極夾在這兩個(gè)極中間通過離子傳導(dǎo)電力的地方為電解質(zhì) 電解質(zhì)是由不透氣的通過離子導(dǎo)電的導(dǎo)體組成 燃料極與空氣極統(tǒng)稱之為電極 由一個(gè)燃料極和空氣極及電解質(zhì) 燃料 空氣通路所組成的一組電池稱為單體電池 多個(gè)單體電池的重疊 稱為電堆 實(shí)用的燃料電他均由電堆組成 7 2燃料電池特征和分類 一 燃料電池特征 1 發(fā)電效率高 因不受卡諾循環(huán)的限制 可以得到很高的發(fā)電效率 其本體的效率即可達(dá)到40 50 以上 如果將排出的燃料進(jìn)行重復(fù)利用 再利用其排熱 對(duì)于中 高溫燃料電池 綜合效率可達(dá)70 80 2 污染極少 是保護(hù)環(huán)境的綠色能源 3 可以使用天然氣 石油 煤炭 乙醇 沼氣等等多種多樣的燃料 資源廣泛 4 由于燃料電池本體沒有旋轉(zhuǎn)部分 所以噪聲很小 7 2燃料電池特征和分類 一 燃料電池特征 5 屬分散電源 用途廣泛 6 不需要大量的冷卻水 適合于內(nèi)陸及城市地下應(yīng)用 對(duì)缺水的中國極為有利 二 燃料電池分類 1 按電池所采用的電解質(zhì)分類 堿性燃料電池 簡(jiǎn)稱AFC 圖1 磷酸型燃料電池 簡(jiǎn)稱PAFC 熔觸碳酸鹽型燃料電池 簡(jiǎn)稱MCFC 固體電解質(zhì)型燃料電池 簡(jiǎn)稱SOFC 固體高分子型燃料電池 簡(jiǎn)稱PEMFC 圖2直接甲醇型燃料電池 簡(jiǎn)稱DMFC 二 燃料電池分類 2 按照電他的工作溫度進(jìn)行分類 低溫燃料電池 工作溫度低于100 的 包括堿性燃料電池和固體高分子型燃料電池 中溫燃料電池 工作溫度在100 300 的 包括直接甲醇型燃料電池和磷酸型燃料電池 高溫燃料電池 工作溫度在600 l000 的 包括熔融碳酸鹽型燃料電池和固體電解質(zhì)型燃料電他 三 燃料電池系統(tǒng) 1 組成 燃料電池發(fā)電裝置除了燃料電池本體之外 還必須和以下周邊裝置共同構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng) 主要有 燃料重整系統(tǒng) 空氣供應(yīng)系統(tǒng) 直流 交流逆變系統(tǒng) 余熱回收系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等周邊裝置 在高溫燃料電池中還有剩余氣體循環(huán)系統(tǒng) 燃料電池發(fā)電裝置的系統(tǒng)構(gòu)成圖 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構(gòu)成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 1 燃料重整系統(tǒng) 燃料重整系統(tǒng)是將所得到的燃料轉(zhuǎn)化成為燃料電池能夠使用的以氫為主成分的燃料的一個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 碳?xì)浠衔锏臍怏w燃料 如天然氣等 或者液體燃料 石油 甲醇等 用作燃料電池的燃料時(shí) 通過水蒸氣重整法等 對(duì)燃料進(jìn)行重整 而在使用煤炭時(shí) 則通過煤制氣的反應(yīng) 制造出以氫與一氧化碳為主要成分的氣體燃料 這些轉(zhuǎn)換的主要反應(yīng)裝置 稱之為重整器和煤氣化爐 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構(gòu)成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 2 空氣供給裝置 空氣供給裝置是對(duì)燃料電池供應(yīng)反應(yīng)時(shí)用的空氣的系統(tǒng) 它可以使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的送風(fēng)機(jī)或者空氣壓縮機(jī) 也可以使用回收排出余氣的透平機(jī)或壓縮機(jī)的加壓裝置 3 直 交流逆變系統(tǒng) 燃料電池所產(chǎn)生的是直流電 而所需要的往往是交流電 因此要有一個(gè)將燃料電池本體所產(chǎn)生的直流電變換成交流電的裝置 4 排熱回收系統(tǒng) 排熱回收系統(tǒng)指回收燃料電池本體發(fā)電時(shí)所產(chǎn)生的熱 電池排氣的含熱及燃料重整系統(tǒng)的排熱等 的系統(tǒng) 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構(gòu)成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 5 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是燃料電池發(fā)電裝置起動(dòng) 停止 運(yùn)轉(zhuǎn) 外接負(fù)載等的控制裝置 由控制運(yùn)算的計(jì)算機(jī)以及測(cè)量與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成 6 剩余氣體循環(huán)系統(tǒng) 在高溫燃料電池發(fā)電裝置中 由于電池排熱溫度高 因此裝設(shè)有可以使用燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng) 課堂作業(yè) 2005 11 15 1 燃料電池有哪些特征 2 按燃料電池所采用的電解質(zhì)分類 可分為哪幾類 3 燃料電池系統(tǒng)有哪些分系統(tǒng) 燃料電池的歷史 1839年 格羅夫發(fā)表了世界第1篇有關(guān)燃料電他研究的報(bào)告 燃料電他的實(shí)用化 最早是1960年10月首次將美國通用電氣公司研制的質(zhì)子交換膜燃料電池用于雙子星座飛船作為主電源 之后 1968年又在美國阿波羅登月飛船上將堿性燃料屯池作為主電源 為人類首次登上月球做出丁貢獻(xiàn) 美國在1967年開始了以民用為目標(biāo)的研究計(jì)劃 首先開發(fā)磷酸礎(chǔ)燃料電池 之后 以美國 日本為中心 進(jìn)行了磷酸型燃料電池實(shí)用化的工作 日本于1981年的 月光計(jì)劃 中 全面地開展了5類燃料電池的研究 堿性 磷酸型 熔融碳酸鹽型 團(tuán)體電解質(zhì)型 固體高分子型 而在1993年開始的 新陽光計(jì)劃 中 燃料電池成為日本政府加速實(shí)施的一個(gè)重點(diǎn)計(jì)劃 開始投入大規(guī)模研究 中國燃料電池研究 中國也很早就開始了燃料電池的研究 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所于1969年開始進(jìn)行石棉膜型氫氟燃料電他的研制 至1978年完成了兩種型號(hào)航天用石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)的研制 并通過了例行的地面航天環(huán)境模擬試驗(yàn) 20世紀(jì)70年代 天津電源研究所也研制成功了石棉膜型動(dòng)力排水的航天用氫氧燃料電池系統(tǒng) 此外 還有一些高等院校和研究院所也開展了燃料電池的研究試制 在 九五 期間 燃料電池被列人國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目攻關(guān)計(jì)劃 燃料電池構(gòu)成圖 安裝在柏林的250kWPEMFC燃料電池電站 PAFC電站 燃料電池分類及特性1 燃料電池分類及特性2 磷酸型燃料電池和熔融碳酸鹽型燃料電池 2 磷酸型燃料電池 PAFC 它以磷酸水溶液作為電解質(zhì) 工作溫度為150 220 發(fā)電效率達(dá)40 50 放出的余熱可以加熱水和蒸汽用于供暖 磷酸型電池的發(fā)電能力較小 它可用于建造小型的熱電聯(lián)供系統(tǒng) 現(xiàn)在磷酸型燃料電池制造技術(shù)已達(dá)實(shí)用化水平 3 熔融碳酸鹽型燃料電池 MCFC 它以高溫下處于熔化狀態(tài)的碳酸鹽 碳酸鋰 碳酸鉀 作為電解質(zhì) 工作溫度為600 700 發(fā)電效率達(dá)45 55 不僅可以直接利用余熱進(jìn)行供熱 而且排出的高溫氣體可以帶動(dòng)氣輪機(jī) 進(jìn)行第二次發(fā)電 它的最大的特點(diǎn)是可以組合成復(fù)合發(fā)電的電力回收型系統(tǒng) 固體電解質(zhì)型燃料電池和固體高分子型燃料電池 4 固體電解質(zhì)型燃料電池 SOFC 它以固體氧化物燒結(jié)體 如氧化鋯 作為電解質(zhì) 工作溫度為900 1000 發(fā)電效率可達(dá)50 60 因?yàn)殡娊赓|(zhì)是固體的 所以避免了許多麻煩 維修費(fèi)用也大為降低 固體電解質(zhì)型燃料電池放出的余熱也能加熱水或蒸汽 或向其他工序