燃料電池的利用22

1、 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院新能源發(fā)電課 程 設(shè) 計(jì) 題 目： 燃料電池的利用 學(xué)習(xí)中心： 陜西商洛奧鵬學(xué)習(xí)中心 層 次： 專升本 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 2015 年 秋 季 學(xué) 號(hào)： 151361309865 學(xué) 生： 邢志勇 輔導(dǎo)教師： 康永紅 完成日期： 2016 年 12 月 10 日2016年9月份新能源發(fā)電課程設(shè)計(jì)燃料電池的利用燃料電池是一種直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，被稱為繼水電、火電、核電之后的第四代發(fā)電裝置。國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，燃料電池將是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方式之一。 一燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及原理1. 燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國(guó)家都將大型

2、燃料電池的開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，企業(yè)也紛紛斥以巨資，從事燃料電池 技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)及2內(nèi)燃機(jī)而廣泛應(yīng)用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型能源可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)，電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)突破取代人力造成工業(yè)革命，又如網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展改變了人們生活習(xí)慣的信息革命，燃料電池的高效率，無(wú)污染，建設(shè)周期短，易維護(hù)及成本低潛能將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美，日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢(shì)頭快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段，將成為21世紀(jì)繼火電，水電，核電后的第四代發(fā)電方式。

3、燃料電池技術(shù)在國(guó)外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源，電力行業(yè)不得不正視的課題。2. 燃料電池的基本原理  燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)極除作為燃料與電解質(zhì)的共同接口，并對(duì)燃料的氧化反應(yīng)作催化；而正極則為氧氣與電解質(zhì)的共同接口，亦對(duì)氧的還原作催化。燃料電池因電解質(zhì)不同而有不同的名稱，有磷酸型 ( PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸鹽型 ( MCFC，melt carbonate fuel cell

4、 ) 與固態(tài)氧化物型 ( SOFC，solid oxide fuel cell ) 與質(zhì)子交換膜型 ( PEMFC，   對(duì)于以氫氧作燃料的燃料電池反應(yīng)如下所示，而其于堿性溶液中的電極反應(yīng)為：正極 1/2O2 + H2O + e- -> 2OH-  負(fù)極 H2 + 2OH- -> 2H2O + e-

5、0; 全反應(yīng) 1/2O2 + H2 -> H2O 上述反應(yīng)僅為氫氧燃料電池的反應(yīng)式，對(duì)所采取的不同燃料反應(yīng)亦將有所改變。而為加速電極反應(yīng)，電極中通常會(huì)加入催化劑如鉑，但鉑在 150 時(shí)會(huì)被 CO 所毒化而失去催化的效果，因此多加入銠或銥于鉑之中。一般而言，對(duì)氧氣最佳的催化劑為少量含金或銀的鉑鈀混合物。此外，燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率相當(dāng)高，約為60%90%之間。 另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電

6、性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。 二燃料電池的構(gòu)成及特點(diǎn)燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽(yáng)極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過(guò)。 在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H ）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為： （1）燃料極：H2=2H+ 2e- （2）空氣極：2H +1/2O2 +2e-=H2O （3）全體：H2 +1/2O2=H2O 在燃

7、料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H 和e-，H 移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e-經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外沒(méi)有其他的反應(yīng)，H2所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，伴隨著電極的反應(yīng)存在一定的電阻，會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。引起這些反應(yīng)的一組電池稱為組件，產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此，為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣

8、之間的分離，采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電流的乘積決定，電流與電池中的反應(yīng)面積成比。 三燃料電池的類型1. .燃料電池按根據(jù)工作原理可分為酸性電池、堿性電池及其他新型電池。2.燃料電池按溫度劃分，可劃分為4種主要燃料電池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，介紹一下高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的類型。大多數(shù)工業(yè)集團(tuán)公司的注意力集中在以下4種主要類型上：(1)運(yùn)行溫度在60-80之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；(2)運(yùn)行溫度在160-220之間的磷酸類燃料電池(PAF

9、C)；(3)運(yùn)行溫度在620-660之間的熔融碳酸鹽類燃料電池(MCFC)；(4)運(yùn)行溫度在880-1000之間的固體氧化物燃料電池(SOFC)。各種類型的燃料電池在相應(yīng)的工作溫度下，它們的能量轉(zhuǎn)化效率高，高比功率，高比能量。各種類型實(shí)用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動(dòng)電話供電(數(shù)以W計(jì))，也可以給居民住宅(數(shù)kW)或是分散的電熱設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備(數(shù)百KW到數(shù)MW)供電。 最適于用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的是低溫型燃料電池。 3.燃料電池按所用原始燃料大致分為氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和汽油燃料電池。(1)氫燃料電池 通用汽車公司已研制成功使用液氫燃料電池產(chǎn)生動(dòng)力的零排放概念車“氫

10、動(dòng)一號(hào)”，該車加速快，操作靈活，從0100km/h加速僅16秒，最高時(shí)速可達(dá)140km/h，續(xù)馳里程400km。空氣產(chǎn)品公司、普拉克斯公司作為領(lǐng)先的液氫供應(yīng)商，其供氫站已經(jīng)可為氫燃料電池汽車供應(yīng)2434MPa的液氫。2003年4月林德公司為德國(guó)Adam Opei公司建造了世界上第一座70MPa氫氣充氣站，這標(biāo)志著以氫氣為動(dòng)力的汽車社會(huì)進(jìn)入一個(gè)重要的里程碑。與常規(guī)的35MPa系統(tǒng)相比，70MPa技術(shù)有較高的貯氫密度，可復(fù)蓋燃料電池汽車60%70%的范圍。這一技術(shù)進(jìn)展使燃料電池汽車行駛里程可超過(guò)400 km，這是推廣使用以壓縮氫為動(dòng)力的汽車最重要的前堤之一。(2) 甲烷燃料電池使用甲烷（天然氣）作

11、為燃料電池的燃料可避免貯氫和補(bǔ)充氫燃料的后勤問(wèn)題。但是，在燃料電池的陽(yáng)極直接氧化甲烷還很困難。在固體氧化物燃料電池中，如工作溫度超過(guò)800，會(huì)發(fā)生碳質(zhì)沉積物污染電極問(wèn)題，如溫度低于800，則會(huì)降低功率密度。美國(guó)西北大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)采用改進(jìn)固體氧化物燃料電池性能的方法，在鎳系陽(yáng)極中加入氧化釔并摻雜二氧化鈰形成多孔電極，僅650就能達(dá)到很高的功率密度，這樣的溫度也不會(huì)引起碳沉積問(wèn)題。（3）甲醇燃料電池戴姆勒-克萊斯勒公司、巴斯夫公司、BP公司、Methanex公司、Statoil公司和Xcellsis公司聯(lián)合將甲醇燃料電池汽車推向商業(yè)化，開(kāi)發(fā)了以甲醇為燃料的燃料電池汽車NECAR 5。甲醇是一

12、種理想的液體貯氫介質(zhì)，在常溫下為液體，可像汽油或柴油燃料一樣運(yùn)輸、貯存和處理。甲醇轉(zhuǎn)化制氫所用的催化劑為巴斯夫公司提供的氧化銅催化劑和其他金屬氧化物催化劑。在甲醇和水混合進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后，高活性的催化劑可使甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)生大量氫氣，工作溫度為200350。NECAR 5的推出，標(biāo)志著甲醇燃料電池技術(shù)向商業(yè)化邁出了重要一步。（4）.乙醇燃料電池美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)了具有商業(yè)化潛力的反應(yīng)器，該反應(yīng)器可從乙醇制取燃料電池用氫。如果被確證，這可望首次從可再生資源生產(chǎn)氫氣，而不是從烴類或甲醇生產(chǎn)氫氣。該工藝過(guò)程對(duì)于主要為液體燃料貯存的小型便攜式燃料電池，可低費(fèi)用地產(chǎn)生氫氣。 乙醇和水在一個(gè)汽車燃料用噴射器中混合

13、后，藉銠-二氧化鈰氧化生成氫氣和二氧化碳，該反應(yīng)是有吸引力的，因?yàn)闅錃饪蓮囊掖己退@取，潛在產(chǎn)率可望提高。該過(guò)程在現(xiàn)有乙醇價(jià)格下具有競(jìng)爭(zhēng)性，并且可望使用未經(jīng)脫水就可用作燃料的較廉價(jià)的乙醇。四燃料電池應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望由于燃料電池理想化轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到83%左右，目前實(shí)際的轉(zhuǎn)換效率大 概在 45%-60%之間，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換效率大概在 30%-40%之間。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，燃料電池不需要經(jīng)過(guò)熱能轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié)，不需要通過(guò)氣體受熱膨脹做功，因此不受熱能 卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高。2015 年全球燃料電池出貨量比 2014 年增長(zhǎng)了 12.4%，達(dá)到 72,500 組，總?cè)萘砍?過(guò) 342.6

14、MW，比 2014 年增長(zhǎng)了 84.8%。北美和亞洲安裝容量合計(jì)占比 91.0%，分別占 比 40.8%、50.3%。在 應(yīng)用領(lǐng)域，固定發(fā)電和交通運(yùn)輸總計(jì)占比 99.8%，分別占比 59.3%、 40.5%，固定發(fā)電市場(chǎng)依然是主要市場(chǎng)，便攜式應(yīng)用市場(chǎng)幾乎可以忽略不計(jì)。燃料電池既適用于建造大、中型電站和區(qū)域性分散電站，也可用作各種規(guī)格的分散 電源，如電動(dòng)車、不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動(dòng)力源和各種可移動(dòng)電源，同時(shí)也可作為手機(jī)、 筆記本電腦等小型便攜式電源。下游應(yīng)用分為三類，便捷式（如充電器）、固定發(fā)電（如 發(fā)電站）、交通運(yùn)輸（如叉車、轎車及客車）。目前商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的是 MCFC、SOFC 及 PEMFC，其中 PEMFC 以其功率密度大、體積小、質(zhì)量輕、室溫下即可工作、起動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域， 如汽車。MCFC、SOFC 因?yàn)楦邷?、啟?dòng)慢，但其成本低、功率大等特點(diǎn)，在便攜式領(lǐng) 域和交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用非常少，在固定發(fā)電領(lǐng)域有一些應(yīng)用，如固定式燃料電池電站、 家用熱電聯(lián)產(chǎn)。目前，PEMFC 在微型便攜電源和小型移動(dòng)電源的應(yīng)用上，已達(dá)到產(chǎn)品化程度，在 20