燃料電池系統(tǒng)TPCUFCLab課件

1、 能源科技概論 第八章氫能臺北城市科技大學(xué)機(jī)械工程系可攜式燃料電池Voller Energy V100能碩(EnerMaster)EM-H1000D1Masterflex Fuel Cell Bike 美國Honda氫燃料電池汽車 運(yùn)輸用燃料電池(圖片摘自/ hydrogencars2005.htm)UTC Fuel Cells 5kW Energy Center MTU Hot Module (MCFC) 定置型燃料電池(圖片摘自)(圖片摘自)微小型燃料電池Toshiba(圖片摘自/archives/2005/09/batteries_stink.php#)(圖片摘自/articles/09

2、/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)Sony什麼是燃料電池？燃料電池是一種可以把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置燃料電池是一種電能產(chǎn)生裝置，而非電能貯存裝置燃料電池是一個(gè)系統(tǒng)，而非單一元件燃料電池鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池fuel (化學(xué)能)熱能steam(高溫高壓)running turbine(機(jī)械能)running generator(電能)Fuel Cell(電化學(xué)反應(yīng))O2H2H2O電能傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換過程什麼是燃料電池？燃料電池基本原理燃料電池之父 William Grove爵士於1839年發(fā)明燃料電池：藉由觸媒將水電解反應(yīng)逆向操作，產(chǎn)生電流。H2O

3、2e-H2O2e-白金電極 (Pt electrodes)酸性電解質(zhì) (dilute acid electrolyte)A水電解反應(yīng)氫氧燃料電池反應(yīng)+-圖片來源: PEM Fuel Cells Theory and Practice, by F. Barbir, Elsevier Inc. (2005)燃料電池的發(fā)展燃料電池發(fā)明太空計(jì)畫新產(chǎn)業(yè)誕生為什麼使用燃料電池？替代能源主要使用氫氣直接產(chǎn)生電能，可替代既有燃油動力來源和電力取得方式；雖然也使用甲醇、乙醇及其他碳?xì)浠衔锏热剂?，但其選擇具有替代性。環(huán)保能源潔淨(jìng)、安靜，電化學(xué)反應(yīng)無噪音，主要生成物為H2O。高效能源高效率、高能量密度，相對減少系

4、統(tǒng)的體積和重量，並延長供電運(yùn)作時(shí)間。便利能源獨(dú)立性、可攜性高；不需充電器，完全無線(wireless)需求，補(bǔ)充燃料不需長時(shí)間等待。燃料電池的限制 成本高 功率密度受限 氫燃料取得與儲存技術(shù) 操作溫度的影響 對於環(huán)境污染物的敏感性 耐久性議題燃料電池的種類溫度 低溫 高溫 燃料電池種類 質(zhì)子交換膜型 PEMFC / DMFC鹼液型AFC 磷酸型PAFC 熔融碳酸鹽型 MCFC固體氧化物型 SOFC操作溫度 7080 80100 200220 600650 8001000 可用燃料天然氣、甲醇、汽油精煉氫氣、電解副產(chǎn)氫氣天然氣、甲醇、輕油天然氣、甲醇、石油、煤碳天然氣、甲醇、石油、煤碳電流密度

5、高 高 普通 普通 高 可能應(yīng)用領(lǐng)域小型發(fā)電機(jī)組、分散型發(fā)電、移動式電源、運(yùn)輸工具電源太空船、潛水艇汽電共生、分散型發(fā)電、離島地區(qū)發(fā)電、移動式電源、運(yùn)輸工具電源汽電共生、分散型發(fā)電、取代大規(guī)?；鹆Πl(fā)電汽電共生、分散型發(fā)電、取代中規(guī)模火力發(fā)電*資料來源：工研院IEK、東亞產(chǎn)經(jīng)資訊網(wǎng)燃料電池的基本結(jié)構(gòu) 電負(fù)載質(zhì)子交換膜Electrolyte membrane氣體擴(kuò)散層 GDL觸媒層 Catalyst Layer陽極流道Anode flow channel集電區(qū)Current Collector石墨流道板Graphiteend/bipolar plate陰極流道Cathode flow channe

6、le-e-H+H2O2MembraneCatalystC/Pt-RuCatalystC/PtAnode GDLCathode GDLSOURCE: Antig膜電極組(MEA)觸媒電極圖片來源： Journal of Power Sources 74 (1998) 211-218Electrochimica Acta 49 (2004) 41494156碳紙?zhí)疾細(xì)怏w擴(kuò)散層雙極板Freudenberg-NOKsealing technology/sci/fuelcellprogram/projects.htmlOak Ridge National LaboratoryMetallic Bipol

7、ar Plates Schunk Graphite Technology- compression molding電池堆(圖片來源：/2008/03/bac2-introduces.htm)lBallard Power Systems (Canada)電池堆ESORO hyCar(圖片摘自Ballard公司網(wǎng)頁)氫氣儲存系統(tǒng)(圖片摘自Quantum technologies, Inc.公司網(wǎng)頁)燃料電池系統(tǒng)Worlds First Hydrogen Fuel-Cell, Plug-In Electric Hybrid Bus (Burbank)Fuel Cell Hydrogen Vehicl

8、e (FCHV, Toyota) (圖片摘自/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html)(圖片摘自)MOTOROLAs IMPRESTM Charger Package (1W)燃料電池系統(tǒng)製氫技術(shù)氣態(tài)燃料蒸氣重組或部分氧化液態(tài)燃油蒸氣重組或部分氧化煤的氣化水電解生質(zhì)酒精改質(zhì)生物質(zhì)熱解藻類光合製氫氫基礎(chǔ)設(shè)施Hondas Solar Hydrogen Refueling Station, Japan Hydrogen station (Denmark) /entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/ht

9、tp:/www.vatgas.se/shhp/news.html再生式燃料電池系統(tǒng)electrolyserfuel cellsolar celldemonstration of a fuel cell fueled by an electrolyser driven by solar cells附 錄OxidationANODEReductionCATHODEDirect Methanol Fuel Cell (DMFC)(Figure source: Antigs website)陽極陰極甲醇水溶液氧氣二氧化碳水DMFC 基本原理DMFC甲醇Chemical Energy (Em)水Chem

10、ical Energy (Ew)氧Chemical Energy (Eo)熱電能Energy (Ee)二氧化碳Chemical Energy (Ec)Em + Eo = Ee + Ew + Ec + Heat chemical energy: Gibbs free energy of formation gf depends on the state and temperatureDMFC 能量轉(zhuǎn)換(1)(2)(3)(4)Terminologies overvoltage / overpotential, polarization, irreversibility, losses, volta

11、ge dropCauses of overvoltages activation lossesfuel crossover and internal currentsohmic lossesmass transport or concentration lossesFig. source: Larminie, J., and Dicks, A. 2003. Fuel Cell Systems Explained. Ed. 2nd. New York: John Wiley & Sons, Ltd.燃料電池極化曲線燃料電池的效能operation voltage: about 0.3V-0.4VTitle: Di