燃料電池基礎1.ppt

燃料電池基礎 本節(jié)主要內容 7 1燃料電池及基本原理7 2燃料電池特征和分類 7 1燃料電池及基本原理 一 燃料電池發(fā)電 一種新的發(fā)電方式燃料電池發(fā)電不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電 其燃料不經過燃燒 沒有復雜的從燃料化學能轉化為熱能 再轉化為機械能 最終轉化成電能的過程 而是直接將燃料 天然氣 煤制氣 石油等 中的氫氣借助于電解質與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應 在生成水的同時進行發(fā)電 因此其實質是化學能發(fā)電 燃料電池發(fā)電被稱為是繼火力發(fā)電 水力發(fā)電 原子能發(fā)電之后的第4大發(fā)電方式 燃料電池與干電池和蓄電池區(qū)別 平時所說的干電池與蓄電他 沒有反應物質的輸入與生成物的排出 所以其壽命有一定限度 而燃料電池可以連續(xù)地對其供給反應物 燃料 及不斷排出生成物 水等 因而可以連續(xù)地輸出電力 燃料電池的歷史 中國燃料電池研究 二 燃料電池發(fā)電原理及電池構成 1 發(fā)電原理 在能量水平高的氫與氧結合產生水時 首先氫氣放出電子 具有正電荷 同時 氧氣從氫氣中得到電子 具有負電荷 兩者結合成為中性的水 在氫與氧進行化學反應中 發(fā)生電子的移動 把電子的移動取出 加到外部連接的負載上面 這種結構即為燃料電池 燃料電池其原理是一種電化學裝置 燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器 二 燃料電池發(fā)電原理及電池構成 2 燃料電池構成 圖 氫氣反應的地方為燃料極 燃料極為陽極 氧氣反應的地方為空氣極 空氣極為陰極夾在這兩個極中間通過離子傳導電力的地方為電解質 電解質是由不透氣的通過離子導電的導體組成 燃料極與空氣極統(tǒng)稱之為電極 由一個燃料極和空氣極及電解質 燃料 空氣通路所組成的一組電池稱為單體電池 多個單體電池的重疊 稱為電堆 實用的燃料電他均由電堆組成 7 2燃料電池特征和分類 一 燃料電池特征 1 發(fā)電效率高 因不受卡諾循環(huán)的限制 可以得到很高的發(fā)電效率 其本體的效率即可達到40 50 以上 如果將排出的燃料進行重復利用 再利用其排熱 對于中 高溫燃料電池 綜合效率可達70 80 2 污染極少 是保護環(huán)境的綠色能源 3 可以使用天然氣 石油 煤炭 乙醇 沼氣等等多種多樣的燃料 資源廣泛 4 由于燃料電池本體沒有旋轉部分 所以噪聲很小 7 2燃料電池特征和分類 一 燃料電池特征 5 屬分散電源 用途廣泛 6 不需要大量的冷卻水 適合于內陸及城市地下應用 對缺水的中國極為有利 二 燃料電池分類 1 按電池所采用的電解質分類 堿性燃料電池 簡稱AFC 圖1 磷酸型燃料電池 簡稱PAFC 熔觸碳酸鹽型燃料電池 簡稱MCFC 固體電解質型燃料電池 簡稱SOFC 固體高分子型燃料電池 簡稱PEMFC 圖2直接甲醇型燃料電池 簡稱DMFC 二 燃料電池分類 2 按照電他的工作溫度進行分類 低溫燃料電池 工作溫度低于100 的 包括堿性燃料電池和固體高分子型燃料電池 中溫燃料電池 工作溫度在100 300 的 包括直接甲醇型燃料電池和磷酸型燃料電池 高溫燃料電池 工作溫度在600 l000 的 包括熔融碳酸鹽型燃料電池和固體電解質型燃料電他 三 燃料電池系統(tǒng) 1 組成 燃料電池發(fā)電裝置除了燃料電池本體之外 還必須和以下周邊裝置共同構成一個系統(tǒng) 主要有 燃料重整系統(tǒng) 空氣供應系統(tǒng) 直流 交流逆變系統(tǒng) 余熱回收系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等周邊裝置 在高溫燃料電池中還有剩余氣體循環(huán)系統(tǒng) 燃料電池發(fā)電裝置的系統(tǒng)構成圖 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 1 燃料重整系統(tǒng) 燃料重整系統(tǒng)是將所得到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的一個轉換系統(tǒng) 碳氫化合物的氣體燃料 如天然氣等 或者液體燃料 石油 甲醇等 用作燃料電池的燃料時 通過水蒸氣重整法等 對燃料進行重整 而在使用煤炭時 則通過煤制氣的反應 制造出以氫與一氧化碳為主要成分的氣體燃料 這些轉換的主要反應裝置 稱之為重整器和煤氣化爐 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 2 空氣供給裝置 空氣供給裝置是對燃料電池供應反應時用的空氣的系統(tǒng) 它可以使用馬達驅動的送風機或者空氣壓縮機 也可以使用回收排出余氣的透平機或壓縮機的加壓裝置 3 直 交流逆變系統(tǒng) 燃料電池所產生的是直流電 而所需要的往往是交流電 因此要有一個將燃料電池本體所產生的直流電變換成交流電的裝置 4 排熱回收系統(tǒng) 排熱回收系統(tǒng)指回收燃料電池本體發(fā)電時所產生的熱 電池排氣的含熱及燃料重整系統(tǒng)的排熱等 的系統(tǒng) 三 燃料電池系統(tǒng) 2 構成系統(tǒng)的各周邊裝置的作用如下 5 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是燃料電池發(fā)電裝置起動 停止 運轉 外接負載等的控制裝置 由控制運算的計算機以及測量與控制執(zhí)行機構等組成 6 剩余氣體循環(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 因此裝設有可以使用燃氣輪機與蒸汽輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng) 課堂作業(yè) 2005 11 15 1 燃料電池有哪些特征 2 按燃料電池所采用的電解質分類 可分為哪幾類 3 燃料電池系統(tǒng)有哪些分系統(tǒng) 燃料電池的歷史 1839年 格羅夫發(fā)表了世界第1篇有關燃料電他研究的報告 燃料電他的實用化 最早是1960年10月首次將美國通用電氣公司研制的質子交換膜燃料電池用于雙子星座飛船作為主電源 之后 1968年又在美國阿波羅登月飛船上將堿性燃料屯池作為主電源 為人類首次登上月球做出丁貢獻 美國在1967年開始了以民用為目標的研究計劃 首先開發(fā)磷酸礎燃料電池 之后 以美國 日本為中心 進行了磷酸型燃料電池實用化的工作 日本于1981年的 月光計劃 中 全面地開展了5類燃料電池的研究 堿性 磷酸型 熔融碳酸鹽型 團體電解質型 固體高分子型 而在1993年開始的 新陽光計劃 中 燃料電池成為日本政府加速實施的一個重點計劃 開始投入大規(guī)模研究 中國燃料電池研究 中國也很早就開始了燃料電池的研究 中國科學院大連化學物理研究所于1969年開始進行石棉膜型氫氟燃料電他的研制 至1978年完成了兩種型號航天用石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)的研制 并通過了例行的地面航天環(huán)境模擬試驗 20世紀70年代 天津電源研究所也研制成功了石棉膜型動力排水的航天用氫氧燃料電池系統(tǒng) 此外 還有一些高等院校和研究院所也開展了燃料電池的研究試制 在 九五 期間 燃料電池被列人國家重點科技項目攻關計劃 燃料電池構成圖 安裝在柏林的250kWPEMFC燃料電池電站 PAFC電站 燃料電池分類及特性1 燃料電池分類及特性2 磷酸型燃料電池和熔融碳酸鹽型燃料電池 2 磷酸型燃料電池 PAFC 它以磷酸水溶液作為電解質 工作溫度為150 220 發(fā)電效率達40 50 放出的余熱可以加熱水和蒸汽用于供暖 磷酸型電池的發(fā)電能力較小 它可用于建造小型的熱電聯(lián)供系統(tǒng) 現(xiàn)在磷酸型燃料電池制造技術已達實用化水平 3 熔融碳酸鹽型燃料電池 MCFC 它以高溫下處于熔化狀態(tài)的碳酸鹽 碳酸鋰 碳酸鉀 作為電解質 工作溫度為600 700 發(fā)電效率達45 55 不僅可以直接利用余熱進行供熱 而且排出的高溫氣體可以帶動氣輪機 進行第二次發(fā)電 它的最大的特點是可以組合成復合發(fā)電的電力回收型系統(tǒng) 固體電解質型燃料電池和固體高分子型燃料電池 4 固體電解質型燃料電池 SOFC 它以固體氧化物燒結體 如氧化鋯 作為電解質 工作溫度為900 1000 發(fā)電效率可達50 60 因為電解質是固體的 所以避免了許多麻煩 維修費用也大為降低 固體電解質型燃料電池放出的余熱也能加熱水或蒸汽 或向其他工序