新能源發(fā)電技術(shù) 電子課件 8.3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

8.3燃料電池發(fā)電系統(tǒng)任課教師：2018年6月目錄Contents8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2車(chē)用燃料電池系統(tǒng)8.3.3家用燃料電池系統(tǒng)8.3.4燃料電池發(fā)電站目錄Contents8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2車(chē)用燃料電池系統(tǒng)8.3.3家用燃料電池系統(tǒng)8.3.4燃料電池發(fā)電站燃料電池交流發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成燃料供給燃料處理器燃料預(yù)處理單元燃料電池組熱管理余熱回收熱量管理單元負(fù)載電力控制器直交流變換單元DC/DC變換器DC/AC逆變器電池燃料電池控制器——空氣管理——燃料管理——傳感器中央動(dòng)力控制單元燃料預(yù)處理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成作用將供應(yīng)的初始燃料轉(zhuǎn)化成燃料電池所需氣體燃料流程脫硫、催化重整、CO變換特點(diǎn)電池堆的工作溫度越低，對(duì)燃料的要求條件就越苛刻要求進(jìn)入PAFC的燃料含氫比例必須很高進(jìn)入PEMFC的燃料必須不含一氧化碳燃料預(yù)處理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成要求總反應(yīng)方程式：CH4+2H2O→4H2+CO2

脫硫R-SH+H2→R-H+H2S

H2S+ZnO→ZnS+H2O

催化重整CH4+H2O→CO+3H2

CO變換CO+H2O→CO2+H2

熱管理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成要求燃料電池能量①可能導(dǎo)致燃料電池出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，或不同部位出現(xiàn)較大的溫度差，對(duì)燃料電池堆的平穩(wěn)運(yùn)行不利②從提高能量的轉(zhuǎn)換率考慮，可將釋放的熱量回收利用熱管理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成低功率小型便攜式PEMFC系統(tǒng)不需專(zhuān)門(mén)的冷卻設(shè)備，可利用周?chē)h(huán)境空氣的自然對(duì)流滿(mǎn)足電池堆散熱需求

低溫PEMPC系統(tǒng)和中溫PAFC系統(tǒng)通常需要強(qiáng)制空氣對(duì)流或利用冷卻液進(jìn)行換熱來(lái)保持電池溫度高溫燃料電池如MCFC和SOFC

可以利用其熱量對(duì)燃料和氧化劑進(jìn)行預(yù)熱，為燃料的預(yù)處理提供熱量直交流變換單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成功能電力調(diào)節(jié)電力轉(zhuǎn)化燃料電池的輸出電壓不穩(wěn)定設(shè)計(jì)電壓達(dá)不到用戶(hù)特定要求用戶(hù)是交流電用戶(hù)產(chǎn)生的電力需要并入電網(wǎng)直交流變換單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成直流/直流變換器(DC/DCconverter)DC/AC逆變器

將一定范圍內(nèi)變化的輸入電壓轉(zhuǎn)化成某一固定且穩(wěn)定的輸出電壓

將燃料電池堆的直流電轉(zhuǎn)換成交流電直流/直流變換器的輸出功率與輸入功率的比值定義為變換效率

輸出電壓的提高以輸出電流的降低為代價(jià)燃料電池控制器燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成系統(tǒng)的“大腦”作用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的使用狀態(tài)經(jīng)常會(huì)變化。因此，必須對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行跟蹤調(diào)整。構(gòu)成多種傳感元件(如溫度、壓力傳感器)、執(zhí)行元件(如電磁閥）和執(zhí)行控制的計(jì)算機(jī)程序。燃料電池控制單元示意圖控制系統(tǒng)燃料罐燃料處理系統(tǒng)燃料電池堆電力轉(zhuǎn)換器負(fù)載熱能熱管理燃料供給量控制處理系統(tǒng)反應(yīng)條件控制氫氣供給量控制未反應(yīng)氣體循環(huán)控制溫度、壓力、空氣供給量控制熱回收系統(tǒng)控制直流電流和電壓控制電壓和交流頻率控制電流和電壓輸出控制目錄Contents8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2車(chē)用燃料電池系統(tǒng)8.3.3家用燃料電池系統(tǒng)8.3.4燃料電池發(fā)電站由質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、蓄電池、電機(jī)和系統(tǒng)控制設(shè)備組成。當(dāng)燃料電池的功率大于汽車(chē)需要時(shí)，可對(duì)蓄電池充電；當(dāng)燃料電池的功率不足時(shí)，蓄電池可提供附加功率。功率更大，效率更高，而且續(xù)航力和補(bǔ)充燃料的便捷性也有了提高。動(dòng)力系統(tǒng)配有蓄電池優(yōu)點(diǎn)車(chē)用電池燃料系統(tǒng)車(chē)用電池燃料系統(tǒng)燃料電池汽車(chē)系統(tǒng)透視圖車(chē)用電池燃料系統(tǒng)不足研究方向成本高

若催化劑鉑每千瓦用量為1g，則每輛燃料電池轎車(chē)的用量約為50g，這導(dǎo)致了燃料電池的成本居高不下。壽命短

在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，燃料電池需要經(jīng)歷頻繁的變載工況，這會(huì)加速電催化劑的老化。提高催化劑的活性與利用率研究低Pt催化劑、非Pt催化劑降低膜電極上的鉑載量。目錄Contents8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2車(chē)用燃料電池系統(tǒng)8.3.3家用燃料電池系統(tǒng)8.3.4燃料電池發(fā)電站家用燃料電池系統(tǒng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

家用燃料電池系統(tǒng)熱循環(huán)系統(tǒng)熱水系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換器電力備用加熱器燃料電池電堆氧氣氧氣供應(yīng)設(shè)備天然氣氣體重整設(shè)備氫氣家用燃料電池系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：避免輸電過(guò)程中意外故障的影響2節(jié)約了建造及維護(hù)費(fèi)用

1提高了發(fā)電效率和可靠性3有利于保護(hù)環(huán)境5減少了影響城市景觀的設(shè)施

4家用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品及應(yīng)用現(xiàn)狀加拿大本世紀(jì)初，巴拉德公司開(kāi)發(fā)了家用燃料電池電源，其輸出功率為1.2kW，輸出22-50V直流電，壽命為1500h。美國(guó)普拉格公司在同期開(kāi)發(fā)出5kW燃料電池電源，其工作電壓為48V或120V直流電，同樣以氫氣為燃料，且在一米遠(yuǎn)處噪聲小于60dB。日本燃料電池技術(shù)早已進(jìn)入工廠(chǎng)、商業(yè)樓宇以及家庭中。目錄Contents8.3.1燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2車(chē)用燃料電池系統(tǒng)8.3.3家用燃料電池系統(tǒng)8.3.4燃料電池發(fā)電站燃料電池發(fā)電站發(fā)電效率高1建廠(chǎng)時(shí)間短2環(huán)保問(wèn)題少34動(dòng)態(tài)變化特性好優(yōu)點(diǎn)燃料電池發(fā)電站MCFC發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例美國(guó)FuelCellEnergy公司開(kāi)發(fā)DFC300、DFC1500以及DFC3000系列的MCFC系統(tǒng)，效率可達(dá)47%-50%。截止2007年在美國(guó)安裝接近40臺(tái)發(fā)電裝置，裝機(jī)總量達(dá)到11.5MW。德國(guó)MTU公司組裝成的燃料電池發(fā)電站，其發(fā)電效率達(dá)到47%，主要應(yīng)用在工廠(chǎng)、醫(yī)院、沼氣工程、生物制氣裝置、分布式供熱系統(tǒng)和計(jì)算中心。燃料電池發(fā)電站SOFC發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例日本三菱（20