新能源變換技術C7-燃料電池發(fā)電技術

新能源變換技術張皓1/31/20231北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術燃料電池的基本原理磷酸型燃料電池熔融碳酸鹽型燃料電池

固體電解質型燃料電池固體高分子型燃料電池直接甲醇型燃料電池

1/31/20232北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/20233北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術FuelCellEnergyDFC-300PowerHeat

H2H2

50%15%20%1/31/20234北京印刷學院自動化教研室燃料電池(FuelCell)燃料電池(FuelCell,FC)是利用氫氣、天然氣、固體煤以及甲醇等非石油類燃料與氧氣或空氣進行電化學反應，連續(xù)不斷地將燃料的化學自由能直接轉化為低壓直流電能的一種裝置。第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/20235北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/20236北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理燃料電池的構造可用下式表達:(一)燃料‖電解質‖氧化劑(+)1/31/20237北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/20238北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/20239北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理以氫氧反應為例，燃料電池的電化學反映原理如下式所示:1/31/202310北京印刷學院自動化教研室燃料電池(FuelCell)燃料電池的特點是：直接將化學能轉變?yōu)殡娔埽皇芸ㄖZ循環(huán)的限制，所以能量轉換效率高；不直接燃燒燃料氣，所以對環(huán)境的污染少；電池本身沒有轉動部件，所以運行可靠、工作壽命長、操作和維修十分方便。第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202311北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理——燃料電池fuelcell分類低溫燃料電池：磷酸燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）中溫燃料電池如磷酸型燃料電池（PAFC）高溫燃料電池：熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）1/31/202312北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202313北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202314北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術燃料空氣熱輸出燃料重整系統(tǒng)空氣供應系統(tǒng)控制系統(tǒng)直-交流逆變系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)電力（高溫燃料電池）燃料電池發(fā)電裝置的系統(tǒng)構成圖7.1燃料電池的基本原理燃料電池系統(tǒng)1/31/202315北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202316北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術①燃料重整系統(tǒng)：將所得的燃料轉化成為燃料電池能夠使用的以氫為主成分的燃料一個轉換系統(tǒng)。②空氣供給裝置：對燃料電池供應反應時用的空氣的系統(tǒng)。③直-交流逆變系統(tǒng)：將燃料電池產(chǎn)生的直流點變換成所需要的交流電。7.1燃料電池的基本原理1/31/202317北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術④排熱回收系統(tǒng)：回收燃料電池本體發(fā)熱時所產(chǎn)生的熱量。⑤控制系統(tǒng)：燃料電池發(fā)電裝置啟動、停止、運轉、外接負載等的控制裝置。⑥剩氣循環(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，因此裝置有可以使用燃汽輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。7.1燃料電池的基本原理1/31/202318北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202319北京印刷學院自動化教研室燃料電池的發(fā)展（國際）從80年代開始，日本和美國加大了投資力度。進入90年代，西歐各國也迎頭趕上，進行MCFC大容量、長壽命試驗，其目的是在21世紀初完成MCFC商品化，進入世界能源市場。

日本新能源和工業(yè)技術開發(fā)組織（NEDO）主持進行了1000千瓦MCFC示范電站的開發(fā)，電站調試于1999年4月進行，7月運作，于2000年1月結束，運行壽命接近5000小時，基本達到預定目標。第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202320北京印刷學院自動化教研室美國的能源研究公司（ERC）聯(lián)合了7家公司和組織于1995年在加州SantaClara開始了2兆瓦MCFC示范電站的建設和運轉試驗。電站于1998年完成安裝，連續(xù)運轉了5290小時。西歐的一些國家，如丹麥、德國、荷蘭、意大利，均投入大量的資金進行MCFC示范電站的研究開發(fā)。第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202321北京印刷學院自動化教研室燃料電池的發(fā)展（國內(nèi)）我國在SOFC上的研究工作是在“八五”、“九五”期間開展的。現(xiàn)在國內(nèi)已有十幾個單位進行了SOFC相關技術的研究。在材料及部件方面，主要進行了電解質材料合成及薄膜化、電極材料合成與電極制備、密封材料及相關測試表征技術的研究。第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202322北京印刷學院自動化教研室采用廉價的濕法工藝，可在YSZ+NiO陽極基底上制備厚度僅為50微米的致密YSZ薄膜，800℃用氫作燃料時單電池的輸出功率密度達到0.3瓦/平方厘米以上。電池組方面，2001年3月，800瓦的SOFC電池組已研制成功并進行了發(fā)電試驗。目前我國已經(jīng)具備了研制數(shù)千瓦級固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能力。

第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202323北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202324北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202325北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202326北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202327北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202328北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理應用于電動汽車上的主要是兩種:質子交換膜燃料電池直接甲醇燃料電池因為這兩種燃料電池能夠在室溫條件下快速啟動，并可按負載要求快速改變輸出功率。燃料電池電動汽車就是指以燃料電池系統(tǒng)為主要供能裝置的電動汽車（簡稱為燃料電池汽車)1/31/202329北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理其原理可簡述為:由燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能供給驅動電機，再由電機驅動車輛行駛。一般由于燃料電池功率方面限制，常使用動力蓄電池組作為輔助動力源，這種汽車也稱為混合動力燃料電池汽車。1/31/202330北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理福特P2000燃料電池電動轎車的動力系統(tǒng)組成部分：燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)、輔助動力蓄電池組、直流/交流逆變器、驅動電機及驅動橋1/31/202331北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理就燃料電池汽車的整車結構而言，主要在動力系統(tǒng)結構上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有著本質差別，而其它部分與傳統(tǒng)汽車基本相同燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)又由以下部分組成:1.燃料電池組;2.燃料供應系統(tǒng)—燃料或氫氣貯存裝置，壓力調節(jié)器，管路，燃料循環(huán)泵;1/31/202332北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理3.氧化劑供應系統(tǒng)—空氣壓縮機(以空氣為氧化劑來源時)，空氣加濕器，管路;4.冷卻系統(tǒng)—冷卻器/熱交換器，冷卻水箱，冷卻風扇，冷卻水循環(huán)管路，冷卻水循環(huán)泵。5.燃料電池堆控制系統(tǒng)—控制空氣流量，氫氣流量，燃料電池堆溫度，數(shù)據(jù)采集，故障管理及與整車管理器通訊等。1/31/202333北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.1燃料電池的基本原理1/31/202334北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)，也稱為第一代燃料電池(FC)以磷酸為電解液，H?(或H?O?)為電池內(nèi)回路傳導離子，直接氫或間接氫為燃料，具有耐轉化燃料氣及空氣中CO?的能力7.2磷酸型燃料電池電極材料多為貴金屬(鉑)和碳(石墨)，是多孔結構。1/31/202335北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術PAFC的獨特優(yōu)點是:a.電解液穩(wěn)定，燃料來源廣;b.成本較低，壽命較長;c.技術簡單，操作彈性大;d.噪音和環(huán)境污染很小;e能量轉化效率高。這些優(yōu)點使得它得到了優(yōu)先發(fā)展，是目前開發(fā)研究水平較高、商業(yè)化進程最快、最實用化的燃料電池發(fā)電技術.7.2磷酸型燃料電池1/31/202336北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術PAFC采用磷酸作電解質，工作溫度180-2000C。常用燃料為甲醇，天然氣。燃料氣需由重整器(改質器)獲得，即先將甲醇等燃料經(jīng)催化反應變成氫氣AFC由集流板，空氣電極，電解質保持層，燃料電極及冷卻板組成。7.2磷酸型燃料電池1/31/202337北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.2磷酸型燃料電池PAFC的工作原理:氫電極:H?2H?十2e?,氧電極:1/20?+2H?+2e?H?O在外部電路把電子作為載電體流通電流，在電池內(nèi)部的電解質中把離子作為載電體流通電流1/31/202338北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術HO2H2O2HO2N21234PEMGDLGDLH+HOdrag2HOdiff2H2O2HO2AnodeCathodeHO2MakeH2OT=800C1/31/202339北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.2磷酸型燃料電池PAFC的結構組成主要包括電極、電解質基體和集流板。電極在磷酸燃料電池的電極上有參與反應的離子的水溶液，電子導電的導體和反應物氣體一氫或氧。這三者在電極上發(fā)生反應，形成有液體、固體和氣體的三相界面電極，稱為氣體電極?？紤]：1.催化劑及其載體2.支撐層與防水劑1/31/202340北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.2磷酸型燃料電池在磷酸燃料電池中，用多孔性片狀基體被磷酸浸漬制成電解質保持層稱為電解質基體)?；w既有保持磷酸電解質的作用，又有防止氣體互相交叉的作用。作為基體用的材料，要求保持磷酸的能力強，而且鼓泡壓力大。電解質基體1/31/202341北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術PAFC多用于分散地區(qū)現(xiàn)場發(fā)電、中心集中發(fā)電，現(xiàn)在裝機容量越來越大，可達萬千瓦級規(guī)模，電流密度已到300mA/cm2以上。美國是最早發(fā)展PAFC電站技術的國家日本是PAFC電站技術發(fā)展最快的國家，它僅用了1015年的時間，就成為和美國一樣的世界上PAFC電站技術發(fā)展水平最高的國家。7.2磷酸型燃料電池1/31/202342北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

構成：多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板電解質：堿金屬(Li,Na,K)的碳酸鹽在873-973K的電池工作溫度下，電解質呈熔融態(tài)，載流子為碳酸根離子(CO??)。典型的電解質組成(質量分數(shù))為62%Li2CO3+38%K2CO307.3熔融碳酸鹽型燃料電池1/31/202343北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.3熔融碳酸鹽型燃料電池MCFC工作原理示意圖1/31/202344北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術MoltenCarbonateFuelCell1/31/202345北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.3熔融碳酸鹽型燃料電池1/31/202346北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.3熔融碳酸鹽型燃料電池燃料電池電站(PAFC,MCFC,SOFC)均由四個子系統(tǒng)組成:(1)燃料氣生成與凈化子系統(tǒng);(2)燃料電池堆子系統(tǒng):(3)電源調節(jié)與電廠控制子系統(tǒng);(4)電站熱動力回收子系統(tǒng)。1/31/202347北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.3熔融碳酸鹽型燃料電池電也起著重要作用;而燃料氣生成系統(tǒng)主要是解決富氫燃料的制取與凈化;熱動力回收子系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)熱的集成利用、底循環(huán)以及水循環(huán)處理等。MCFC電站系統(tǒng)，其技術核心在于燃料電池堆子系統(tǒng);另外由逆變器、電源穩(wěn)定器和直流電源保護裝置組成的電源調節(jié)子系統(tǒng)對MCFC電站系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高質量供1/31/202348北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.4固體電解質型燃料電池固體氧化物燃料電池（SOFC）SOFC采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯為固體電解質，這種電解質不允許電子和氫離子通過，而是允許帶負電子的陽離子在電極兩邊自由通過。

1/31/202349北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.4固體電解質型燃料電池1/31/202350北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術1/31/202351北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術⑴氧化物電解質很穩(wěn)定，不存在電解質的損失問題，其組成也不受燃料和氧化氣體成分的影響。⑵SOFC的自由能變化比低溫時小，因而開路電壓比MCFC低100mV。但是SOFC有高質量的余熱，而且內(nèi)部電阻損失小，可以電流密度較高的條件下運行，并且系統(tǒng)簡單。7.4固體電解質型燃料電池SOFC特性：1/31/202352北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.4固體電解質型燃料電池⑶SOFC耐受硫化物的能力比其他燃料電池至少高兩個數(shù)量級，可以使用高溫除硫工藝。SOFC對雜質的耐受能力，使其能使用重燃料，如柴油、煤氣，特別是SOFC可以與煤氣化器聯(lián)接。⑷電池本體全為固體，無電解質蒸發(fā)，流淌，兩個電極無腐蝕?？梢员蛔鞒晒苄?、板形或整體形。⑸可以使用CO、煤氣化氣體作燃料，電池壽命較長（可長達70000小時）⑹由于其工作溫度高達1000℃，解決家屬與陶瓷材料之間的密封困難。1/31/202353北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術燃料電池的性能受溫度、壓力、氣體組分、反應氣體的利用率和電流密度等等工作條件的影響，純度和壽命也會影響理想電池電壓和電壓損失的程度。燃料電池的工作溫度和主要特性是由電解質決定的。SOFC和MCFC的工作特性的比較:7.4固體電解質型燃料電池1/31/202354北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術MCFC工作溫度650℃稍低，對電極和隔板的材料要求不甚嚴格。開路電壓比SOFC高。制造成本較低。MCFC的電解質是液體，電解質容易流失,壽命較短。組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率不如SOFCMCFC和SOFC的工作特性的比較:7.4固體電解質型燃料電池1/31/202355北京印刷學院自動化教研室SOFC固體氧化物電解質很穩(wěn)定，不存在MCFC中電解質的損失問題，其組成也不受燃料和氧化氣體成分的影響。SOFC可以承受超載、低載，甚至短路。和MCFC相比有高質量的余熱，而且內(nèi)部電阻損失小，可以在電流密度較高的條件下運行，并且系統(tǒng)簡單。第七章燃料電池發(fā)電技術MCFC和SOFC的工作特性的比較:7.4固體電解質型燃料電池1/31/202356北京印刷學院自動化教研室SOFC所有組件都是固體，因而可以單電池可以做成板式、管式等各種形狀。對燃料要求更低。SOFC的自由能變化比低溫時小，因而開路電壓比MCFC低100mV.SOFC的1000℃高溫也帶來了很多材料問題，材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配，材料的選擇限制嚴格。制造工藝復雜。第七章燃料電池發(fā)電技術MCFC和SOFC的工作特性的比較:7.4固體電解質型燃料電池1/31/202357北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.5直接甲醇型燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)是將燃料(甲醇)和氧化劑(氧氣或空氣)的化學能直接轉化為電能的一種發(fā)電裝置1/31/202358北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術7.5直接甲醇型燃料電池DMFC的工作原理在標準狀態(tài)下（25℃），DMFC的理論電動勢為1.18V.

電極是燃料(甲醇)和氧化劑〔主要是氧氣)進行電化學反應的場所，膜起到傳導質子、阻止電子傳導和防止陰、陽極區(qū)反應物混合的作用。在水存在下，甲醇在陽極催化劑的作用下氧化生成二氧化碳，同時釋放出電子和質子，二者經(jīng)外電路及膜分別傳導至陰極。1/31/202359北京印刷學院自動化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術DMFC的半電池反應和電池總反應如下所示:陽極反應:CH?0H+H?OCO?+6H?+6e?E?a=0.046V陰極反應:3/20?+6H?+6e?3H?OE?c=1.23V總反應:C