第12章-燃料電池發(fā)電技術(shù)課件

1、燃料電池是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種動力設(shè)備燃料電池的基本反應(yīng)步驟：1:反應(yīng)物向燃料電池內(nèi)部傳遞2:電化學(xué)反應(yīng)3:離子傳導(dǎo)以及電子傳導(dǎo)4:產(chǎn)物排出燃料電池基本原理燃料電池的燃料處理系統(tǒng)水蒸氣水蒸氣發(fā)生器發(fā)生器燃料燃料脫脫 硫硫 器器重重 整整 器器CO轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化器器CO去除器去除器重重 H2：72%整整 CO2：20%氣氣 CO：100ppm氧氣氧氣燃料處理系統(tǒng)有很多種，以天然氣重整為例介紹脫硫器：采用活性碳、沸石等吸附劑或者用氫氣與硫反應(yīng)來脫硫重整器：在高溫下(700 )與催化劑反應(yīng)得到以氫為主的重整氣轉(zhuǎn)化器：CO+H2O H2+CO2（300 400 ）去除器：CO+O2 CO2（150 2

2、00 ）燃料處理系統(tǒng)燃料電池特性良好的環(huán)境相容性 不同發(fā)電廠排氣的比較（不同發(fā)電廠排氣的比較（kg/10kg/106 6 kWkW h h） 不同發(fā)電裝置的噪聲比較不同發(fā)電裝置的噪聲比較排氣中污染物天然氣火力發(fā)電石油火力發(fā)電煤火力發(fā)電磷酸燃料電池二氧化硫2.52304 55010 9008 20014 50000.12氮氧化物1 8003 2003 20063107烴 類201 2701255 0003010 00014102粉 塵0904532036558000.014Source: 肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池特性靈活可靠的輸出性能燃料電池工作時將燃料儲存的能量一半

3、轉(zhuǎn)化為電，另一半轉(zhuǎn)化為熱。 各種發(fā)電方式在不同規(guī)模時的效率Source: 肖鋼，燃料電池技術(shù)，電子工業(yè)出版社，2009燃料電池的優(yōu)點(diǎn)燃料電池獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%60% 沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音小沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音小 沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率尺寸相仿的效率 若以氫為燃料，排放是水，可實(shí)現(xiàn)若以氫為燃料，排放是水，可實(shí)現(xiàn)“零排放零排放”各種類型燃料電池的比較選項(xiàng)SOFC(固體氧化物)MCFC(熔融碳酸型)AFC(堿液型)PAFC(磷酸型)PEMFC(質(zhì)子交換膜)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)燃料適應(yīng)性燃料適應(yīng)性廣廣采用非貴金采用非貴

4、金屬作為催化劑屬作為催化劑高品位余熱高品位余熱可用于熱電聯(lián)可用于熱電聯(lián)供供固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)較高的功率較高的功率密度密度燃料適應(yīng)性燃料適應(yīng)性廣廣使用非貴金使用非貴金屬催化劑屬催化劑高品位余熱高品位余熱可用于熱電聯(lián)可用于熱電聯(lián)供供陰極性能得到陰極性能得到改善改善可以不使用貴可以不使用貴金屬作為催化劑金屬作為催化劑材料成本低，材料成本低，電解質(zhì)成本非常電解質(zhì)成本非常低廉低廉電解質(zhì)價廉，電解質(zhì)價廉，使用酸性的電解使用酸性的電解液液能夠直接使用能夠直接使用烴類化合物轉(zhuǎn)換烴類化合物轉(zhuǎn)換的含有的含有CO2的富的富氫氣體作為燃料氫氣體作為燃料技術(shù)成熟可靠技術(shù)成熟可靠性高，長期運(yùn)行性高，長期運(yùn)行性能好性能好

5、所有燃料電池所有燃料電池中功率密度最高中功率密度最高較好的起停能較好的起停能力力低操作溫度使低操作溫度使其更適應(yīng)便攜式其更適應(yīng)便攜式應(yīng)用。應(yīng)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn)材料在高溫材料在高溫下運(yùn)行會產(chǎn)生下運(yùn)行會產(chǎn)生一系列問題一系列問題密封問題密封問題電池部件制電池部件制造成本高造成本高CO2必須再循必須再循環(huán)環(huán)熔融碳酸鹽熔融碳酸鹽電解質(zhì)具有腐電解質(zhì)具有腐蝕性蝕性退化退化/壽命問壽命問題題材料昂貴材料昂貴必須使用純的必須使用純的H2和和O2需周期性地更需周期性地更換換KOH電解質(zhì)電解質(zhì)必須從陽極及必須從陽極及時除水時除水 電解質(zhì)容易電解質(zhì)容易CO2中毒中毒效率只有效率只有40%啟動時間長啟動時間長鉑催化劑昂貴鉑催

6、化劑昂貴對對CO和和S中毒中毒敏感敏感電解質(zhì)是有腐電解質(zhì)是有腐蝕性的液體，運(yùn)蝕性的液體，運(yùn)行時必須及時補(bǔ)行時必須及時補(bǔ)充電解質(zhì)充電解質(zhì)采用昂貴的鉑采用昂貴的鉑催化劑催化劑聚合物膜和輔聚合物膜和輔助組件昂貴助組件昂貴經(jīng)常需要水管經(jīng)常需要水管理理非常差的非常差的CO和和S容許度容許度Source: 蔡寧生, 燃料電池發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué), 2007部分燃料電池產(chǎn)品MTU 250kW MCFC in MagdeburgMTU 250kW MCFC in Magdeburg Siemens Westinghouse 250kW SOFCSiemens Westinghouse 250kW SOFC8

7、63-863-燃料電池公共汽車燃料電池公共汽車我國第一輛我國第一輛PEMFCPEMFC校園車校園車Source：清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心，新發(fā)電技術(shù)調(diào)查研究，2008 燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù) SOFCSOFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)電解質(zhì)研究陰極材料研究陽極材料研究連接體材料研究密封材料研究 PEMFCPEMFC燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)子交換膜研究催化劑及其涂覆技術(shù)的研究MEA技術(shù)的研究水平衡和熱平衡技術(shù)研究燃料電池發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 以以MCFC-MCFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合系統(tǒng)為例燃料的處理問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的相容性問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)性能

8、的研究大功率發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配問題聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控系統(tǒng)的開發(fā)部分MCFC燃料電池電廠 美國美國FCEFCE公司公司20042004年前建成的年前建成的3333座座MCFCMCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； 美國美國ERCERC公司公司20062006年在舊金山建成的年在舊金山建成的250kW MCFC250kW MCFC電站；電站； 美國美國ERCERC公司公司20062006年在加州年在加州Santa ClaraSanta Clara建成的建成的2MW 2MW MCFCMCFC電站；電站； 日本三菱重工日本三菱重工20022002年在德國建造的年在德國建造的250kW MCFC250kW M

9、CFC電電站；站； 日本日本19871987年開發(fā)出的年開發(fā)出的10kW MCFC10kW MCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； 日本日本19931993年開發(fā)出的年開發(fā)出的100kW100kW加壓型加壓型MCFCMCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； 日本日本19981998年建造的年建造的1MW1MW先導(dǎo)型先導(dǎo)型MCFCMCFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置； 意大利意大利19961996年在米蘭投運(yùn)的年在米蘭投運(yùn)的100kW MCFC100kW MCFC電站；電站； 德國德國M-C Rower CorporationM-C Rower Corporation建造的建造的MCFCMCFC電站；電站；部分SOFC燃料電池

10、電廠美國美國WestinghouseWestinghouse公司公司19981998年前建成年前建成1111套套325kW SOFC325kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；美國美國WestinghouseWestinghouse公司公司19991999年建成年建成2 2套套100kW100kW管式管式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；德國德國Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20022002年建成年建成220kW SOFC-220kW SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；合發(fā)電系統(tǒng)；德國德國Siemens WestinghouseS

11、iemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成250kW SOFC250kW SOFC示范電廠；示范電廠；德國德國Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成4 4座座5kW SOFC5kW SOFC電廠；電廠；日本三菱重工日本三菱重工19911991年成功示范年成功示范1kW SOFC1kW SOFC電池堆；電池堆；日本三菱重工日本三菱重工19931993年成功示范新型年成功示范新型1kW SOFC1kW SOFC電池堆；電池堆；日本三菱重工日本三菱重工19981998年示范年示范10kW S

12、OFC10kW SOFC系統(tǒng)；系統(tǒng)；日本三菱重工日本三菱重工20012001年成功示范年成功示范10kW 10kW 加壓管式加壓管式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；日本日本JGUJGU公司公司19951995年支持示范的年支持示范的25kW SOFC25kW SOFC發(fā)電裝置；發(fā)電裝置；瑞士瑞士Sulzer HexisSulzer Hexis公司公司20012001年起年起400400套套1kW 1kW 生物質(zhì)生物質(zhì)SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；美國美國ZTEKZTEK公司公司19951995年示范運(yùn)行年示范運(yùn)行1kW1kW平板式平板式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；美國美國ZT

13、EKZTEK公司公司19981998年示范運(yùn)行年示范運(yùn)行25kW25kW平板式平板式SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電系統(tǒng)；中國上海硅酸鹽研究所示范的中國上海硅酸鹽研究所示范的5kW5kW平板式中溫平板式中溫SOFCSOFC電廠；電廠；中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極中國科學(xué)院過程工程所示范的列管式不密封無聯(lián)接極SOFCSOFC發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)展的熱潮 上世紀(jì)上世紀(jì)9090年代直到本世紀(jì)初，燃料電池得到政府、年代直到本世紀(jì)初，燃料電池得到政府、企業(yè)和科研所的大力支持，形成一股熱潮。在企業(yè)和科研所的大力支持，形成一股熱潮。在9797到到9898年間，各大汽車公司都宣布將在

14、年間，各大汽車公司都宣布將在0303到到0505年年實(shí)現(xiàn)氫能燃料電池的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)氫能燃料電池的產(chǎn)業(yè)化 我國跟隨著這個熱潮，投入大量的人力和物力，我國跟隨著這個熱潮，投入大量的人力和物力，進(jìn)行研究，把氫能燃料電池奉為進(jìn)行研究，把氫能燃料電池奉為“最高理想最高理想”、“終極目標(biāo)終極目標(biāo)”十五863重點(diǎn)項(xiàng)目，投入十幾個億 前幾年，不少人提出氫能經(jīng)濟(jì)，把氫能比作是一前幾年，不少人提出氫能經(jīng)濟(jì)，把氫能比作是一個新的能源時代個新的能源時代燃料電池發(fā)展的困難 隨著人們對燃料電池的認(rèn)識加深，在研制過程中隨著人們對燃料電池的認(rèn)識加深，在研制過程中遇到大量的，在相當(dāng)長時期內(nèi)無法克服的困難，遇到大量的，在相當(dāng)長時期

15、內(nèi)無法克服的困難，尤其是氫的制備，氫的運(yùn)輸，氫的車載，人們慢尤其是氫的制備，氫的運(yùn)輸，氫的車載，人們慢慢理性化起來，對它的慢理性化起來，對它的“溫度溫度”也逐漸下降也逐漸下降 不久以前，作為燃料電池最熱烈的鼓吹者不久以前，作為燃料電池最熱烈的鼓吹者美美國，在奧巴馬上臺以后，能源部長朱棣文宣布停國，在奧巴馬上臺以后，能源部長朱棣文宣布停止資助氫能燃料電池項(xiàng)目止資助氫能燃料電池項(xiàng)目限制燃料電池發(fā)展的瓶頸 氫氣制備氫氣制備氫不是一次能源，而只是一個載能體，必須用其他方法制備氫，如電解、天然氣制氫、煤制氫等。在氫能制備中消耗許多其他的能源，排放大量二氧化碳，從全生命周期來看，根本不是零排放能源有些人把氫燃料電池說成是“From Water To Water”