大工14春《新能源發(fā)電》14

1、新能源發(fā)電輔導資料十四主題:第八章氫能與燃料電池(第4-6節(jié)學習時間:2014年6月30日7月6日內(nèi)容:我們這周主要學習氫能與燃料電池(第4-6節(jié)一、學習要求了解氫和氫能的特點及其利用情況,掌握主要的氫的制取和儲存方式,了解燃料電池的工作原理和主要類型,理解燃料電池的特點和應用價值。二、主要內(nèi)容第四節(jié)燃料電池概述(一燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的研究已有170多年的歷史。20世紀50年代,燃料電池的研究得到了迅速發(fā)展。燃料電池的實際應用開始于20世紀60年代的航天領域。20世紀50年代,在膜和催化劑方面所取得的突破性進展,質子交換膜燃料電池獲得了廣泛的研究和開發(fā)。(二燃料電池的基本原理燃料電池是

2、一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池由陽極、陰極和中間的電解質及外接電路組成。工作時,一般向陽極供燃料(氫,向陰極供氧化劑(氧。不斷從外部供給燃料和氧化劑,燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣。為加速電化學反應,燃料電池的電極上往往都有催化劑。催化劑一般做成多孔材料,以增大燃料、電解質和電極之間的接觸截面。這種多孔電極稱為氣體擴散電極。由一個陽極、一個陰極和相關的電解質、燃料、空氣通路組成的最小電池單元稱為單體電池;多個單體電池重疊連接形成的整體,稱為電堆。實用的燃料電池均由電堆組成。燃料電池就像積木一樣,可以根據(jù)功率要求靈活組合,容量小到

3、為手機供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論。(三燃料電池系統(tǒng)的構成燃料電池系統(tǒng),除燃料電池本體(發(fā)電系統(tǒng)外,還有一些外圍裝置,用于燃料重整供應、氧氣供應、水管理、熱管理、逆變、控制、安全等。這是大容量燃料電池可能具有的結構。不同類型、容量和適用場合,有些部分可能被簡化甚至取消。例如微型燃料電池、手機和筆記本電腦的燃料電池。(四燃料電池發(fā)電的特點與干電池與蓄電池不同,燃料電池不是能量儲存裝置,而是能量轉化裝置。燃料電池具有很多獨特的優(yōu)點:-能量轉換效率高。-污染物排放少。-能量轉換主裝置無運動部件,設備可靠,噪音極小。-資源廣泛,建設靈活。第五節(jié)燃料電池的類型1、堿性燃料電池(AFC以氫氧化鉀等堿性

4、溶液為電解質,以高純度氫氣為燃料,以純氧氣作為氧化劑,工作溫度為60-80。在所有的應用領域中,AFC燃料電池都有競爭力。其低溫快速起動特性,在很多場合更具優(yōu)勢。但是由于需要純H2和O2作為燃料和氧化劑,氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大,限制了其應用。2、磷酸型燃料電池(PAFC以磷酸水溶液為電解質,以天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃料,以空氣為氧化劑,一般要用鉑金作催化劑。工作溫度200,發(fā)電效率30%多,用白金作催化劑,對燃料要求較高。對燃料氣和空氣中的CO2有耐受力,能適應多種工作環(huán)境。3、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC以碳酸鹽為電解質;以混有CO2的O2為氧化劑;可用重整氣(含H2和CO2為燃

5、料。電極采用鎳。工作溫度為600700,不需要采用貴金屬作為催化劑。工作過程中放出的高溫余熱可回收,發(fā)電效率45%-60%。基于上述優(yōu)點,MCFC具有較好的應用前景。不過,高溫條件下電解質的腐蝕性較強,對電池材料有嚴格要求;而且廢熱回收裝置又大又重,MCFC只適用于大功率發(fā)電廠。4、固體氧化物型燃料電池(SOFC常采用ZrO2+Y2O3固體電解質,以重整氣為燃料,以空氣為氧化劑。多孔電極。工作溫度最高,約1000,運行壓力0.3-1.0MPa。高溫下工作,不需要采用貴金屬作為催化劑;但采用復合廢熱回收裝置,體積大,質量重,只適用于大功率發(fā)電廠。國際上正在研發(fā)400-800中低溫SOFC電解質。

6、5、質子交換膜型燃料電池(PEMFC燃料一般為高純度的氫氣。采用以離子導電的固體高分子電解質膜。最佳溫度為80。工作溫度低,需要采用貴金屬作為催化劑。發(fā)電效率約50%-70%。PEMFC最大優(yōu)越性體現(xiàn)在工作溫度低。起動快、功率密度高,而且只產(chǎn)生少量廢熱和液態(tài)水,不產(chǎn)生污染大氣的氮氧化物,是汽車動力的理想電源之選。第六節(jié)燃料電池的應用領域1、發(fā)電站燃料電池電站效率高、噪聲小、污染少、占地面積小,可能是未來最主要的發(fā)電技術之一。2、交通工具的動力燃料電池不會或者極少排出污染物,可解決常規(guī)汽車的尾氣污染問題,而且還沒有機械噪音。只要燃料供應充足,車輛行駛的里程是可以不受限制的。3、儀器和通訊設備電源手機、相機等電子產(chǎn)品的主要難題就是電源問題,壽命短,供電的維持時間也短。燃料電池可克服這一缺陷。4、軍事應用燃料電池型號多,噪音小,適合軍用。這種重要的新型發(fā)電方式,可以大大提高燃料利用率、降低空氣污染及解決電力供應、提高電網(wǎng)的安全性。作為繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式,燃料電池將在能源領域里占據(jù)舉足輕重的地位。三、習題(一填空題1.燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的_轉化為_的發(fā)電裝置。答案:化學能、電能。2.根據(jù)所用電解質的種類,燃料電池可分為_、磷酸型燃料電池、_、_和質子交換膜燃料電池等。答案:堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池。(二選擇題燃料電池系