新能源變換技術(shù)C7-燃料電池發(fā)電技術(shù)

新能源變換技術(shù)張皓1/31/20231北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(zhì)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/20233北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)FuelCellEnergyDFC-300PowerHeat

H2H2

50%15%20%1/31/20234北京印刷學(xué)院自動(dòng)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(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，連續(xù)不斷地將燃料的化學(xué)自由能直接轉(zhuǎn)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(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/20235北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/20236北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理燃料電池的構(gòu)造可用下式表達(dá):(一)燃料‖電解質(zhì)‖氧化劑(+)1/31/20237北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/20238北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/20239北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理以氫氧反應(yīng)為例，燃料電池的電化學(xué)反映原理如下式所示:1/31/202310北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室燃料電池(FuelCell)燃料電池的特點(diǎn)是：直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不受卡諾循環(huán)的限制，所以能量轉(zhuǎn)換效率高；不直接燃燒燃料氣，所以對(duì)環(huán)境的污染少；電池本身沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，所以運(yùn)行可靠、工作壽命長(zhǎng)、操作和維修十分方便。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202311北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(zhì)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202313北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202314北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)燃料空氣熱輸出燃料重整系統(tǒng)空氣供應(yīng)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(gòu)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202316北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)①燃料重整系統(tǒng)：將所得的燃料轉(zhuǎn)化成為燃料電池能夠使用的以氫為主成分的燃料一個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。②空氣供給裝置：對(duì)燃料電池供應(yīng)反應(yīng)時(shí)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(diǎn)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)④排熱回收系統(tǒng)：回收燃料電池本體發(fā)熱時(shí)所產(chǎn)生的熱量。⑤控制系統(tǒng)：燃料電池發(fā)電裝置啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)、外接負(fù)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(jī)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202319北京印刷學(xué)院自動(dòng)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(jìn)入90年代，西歐各國也迎頭趕上，進(jìn)行MCFC大容量、長(zhǎng)壽命試驗(yàn)，其目的是在21世紀(jì)初完成MCFC商品化，進(jìn)入世界能源市場(chǎng)。

日本新能源和工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）主持進(jìn)行了1000千瓦M(jìn)CFC示范電站的開發(fā)，電站調(diào)試于1999年4月進(jìn)行，7月運(yùn)作，于2000年1月結(jié)束，運(yùn)行壽命接近5000小時(shí)，基本達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202320北京印刷學(xué)院自動(dòng)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M(jìn)CFC示范電站的建設(shè)和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。電站于1998年完成安裝，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了5290小時(shí)。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(jìn)行MCFC示范電站的研究開發(fā)。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202321北京印刷學(xué)院自動(dòng)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?，F(xiàn)在國內(nèi)已有十幾個(gè)單位進(jìn)行了SOFC相關(guān)技術(shù)的研究。在材料及部件方面，主要進(jìn)行了電解質(zhì)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(guān)測(cè)試表征技術(shù)的研究。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202322北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室采用廉價(jià)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(shí)單電池的輸出功率密度達(dá)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(jìn)行了發(fā)電試驗(yàn)。目前我國已經(jīng)具備了研制數(shù)千瓦級(jí)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(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202323北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202324北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202325北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202326北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202327北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202328北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的主要是兩種:質(zhì)子交換膜燃料電池直接甲醇燃料電池因?yàn)檫@兩種燃料電池能夠在室溫條件下快速啟動(dòng)，并可按負(fù)載要求快速改變輸出功率。燃料電池電動(dòng)汽車就是指以燃料電池系統(tǒng)為主要供能裝置的電動(dòng)汽車（簡(jiǎn)稱為燃料電池汽車)1/31/202329北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理其原理可簡(jiǎn)述為:由燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。一般由于燃料電池功率方面限制，常使用動(dòng)力蓄電池組作為輔助動(dòng)力源，這種汽車也稱為混合動(dòng)力燃料電池汽車。1/31/202330北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理福特P2000燃料電池電動(dòng)轎車的動(dòng)力系統(tǒng)組成部分：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力蓄電池組、直流/交流逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)橋1/31/202331北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理就燃料電池汽車的整車結(jié)構(gòu)而言，主要在動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有著本質(zhì)差別，而其它部分與傳統(tǒng)汽車基本相同燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)又由以下部分組成:1.燃料電池組;2.燃料供應(yīng)系統(tǒng)—燃料或氫氣貯存裝置，壓力調(diào)節(jié)器，管路，燃料循環(huán)泵;1/31/202332北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理3.氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)—空氣壓縮機(jī)(以空氣為氧化劑來源時(shí))，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(fēng)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.1燃料電池的基本原理1/31/202334北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(dǎo)離子，直接氫或間接氫為燃料，具有耐轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。1/31/202335北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)PAFC的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是:a.電解液穩(wěn)定，燃料來源廣;b.成本較低，壽命較長(zhǎng);c.技術(shù)簡(jiǎn)單，操作彈性大;d.噪音和環(huán)境污染很小;e能量轉(zhuǎn)化效率高。這些優(yōu)點(diǎn)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(jìn)程最快、最實(shí)用化的燃料電池發(fā)電技術(shù).7.2磷酸型燃料電池1/31/202336北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)PAFC采用磷酸作電解質(zhì)，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(zhì)器)獲得，即先將甲醇等燃料經(jīng)催化反應(yīng)變成氫氣AFC由集流板，空氣電極，電解質(zhì)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(zhì)中把離子作為載電體流通電流1/31/202338北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)HO2H2O2HO2N21234PEMGDLGDLH+HOdrag2HOdiff2H2O2HO2AnodeCathodeHO2MakeH2OT=800C1/31/202339北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.2磷酸型燃料電池PAFC的結(jié)構(gòu)組成主要包括電極、電解質(zhì)基體和集流板。電極在磷酸燃料電池的電極上有參與反應(yīng)的離子的水溶液，電子導(dǎo)電的導(dǎo)體和反應(yīng)物氣體一氫或氧。這三者在電極上發(fā)生反應(yīng)，形成有液體、固體和氣體的三相界面電極，稱為氣體電極。考慮：1.催化劑及其載體2.支撐層與防水劑1/31/202340北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(zhì)保持層稱為電解質(zhì)基體)?；w既有保持磷酸電解質(zhì)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(qiáng)，而且鼓泡壓力大。電解質(zhì)基體1/31/202341北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)PAFC多用于分散地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電、中心集中發(fā)電，現(xiàn)在裝機(jī)容量越來越大，可達(dá)萬千瓦級(jí)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(shù)的國家日本是PAFC電站技術(shù)發(fā)展最快的國家，它僅用了1015年的時(shí)間，就成為和美國一樣的世界上PAFC電站技術(shù)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

構(gòu)成：多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板電解質(zhì)：堿金屬(Li,Na,K)的碳酸鹽在873-973K的電池工作溫度下，電解質(zhì)呈熔融態(tài)，載流子為碳酸根離子(CO??)。典型的電解質(zhì)組成(質(zhì)量分?jǐn)?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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)MoltenCarbonateFuelCell1/31/202345北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.3熔融碳酸鹽型燃料電池1/31/202346北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(gè)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(diào)節(jié)與電廠控制子系統(tǒng);(4)電站熱動(dòng)力回收子系統(tǒng)。1/31/202347北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(dòng)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(shù)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(hù)裝置組成的電源調(diào)節(jié)子系統(tǒng)對(duì)MCFC電站系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高質(zhì)量供1/31/202348北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.4固體電解質(zhì)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(zhì)，這種電解質(zhì)不允許電子和氫離子通過，而是允許帶負(fù)電子的陽離子在電極兩邊自由通過。

1/31/202349北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.4固體電解質(zhì)型燃料電池1/31/202350北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)1/31/202351北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)⑴氧化物電解質(zhì)很穩(wěn)定，不存在電解質(zhì)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(shí)小，因而開路電壓比MCFC低100mV。但是SOFC有高質(zhì)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(yùn)行，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單。7.4固體電解質(zhì)型燃料電池SOFC特性：1/31/202352北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.4固體電解質(zhì)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(gè)數(shù)量級(jí)，可以使用高溫除硫工藝。SOFC對(duì)雜質(zhì)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(zhì)蒸發(fā)，流淌，兩個(gè)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(zhǎng)（可長(zhǎng)達(dá)70000小時(shí)）⑹由于其工作溫度高達(dá)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(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)燃料電池的性能受溫度、壓力、氣體組分、反應(yīng)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(huì)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(zhì)決定的。SOFC和MCFC的工作特性的比較:7.4固體電解質(zhì)型燃料電池1/31/202354北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)MCFC工作溫度650℃稍低，對(duì)電極和隔板的材料要求不甚嚴(yán)格。開路電壓比SOFC高。制造成本較低。MCFC的電解質(zhì)是液體，電解質(zhì)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(zhì)型燃料電池1/31/202355北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室SOFC固體氧化物電解質(zhì)很穩(wěn)定，不存在MCFC中電解質(zhì)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(zhì)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(yùn)行，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)單。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)MCFC和SOFC的工作特性的比較:7.4固體電解質(zhì)型燃料電池1/31/202356北京印刷學(xué)院自動(dòng)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(duì)燃料要求更低。SOFC的自由能變化比低溫時(shí)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(yán)格。制造工藝復(fù)雜。第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)MCFC和SOFC的工作特性的比較:7.4固體電解質(zhì)型燃料電池1/31/202357北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置1/31/202358北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)7.5直接甲醇型燃料電池DMFC的工作原理在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（25℃），DMFC的理論電動(dòng)勢(shì)為1.18V.

電極是燃料(甲醇)和氧化劑〔主要是氧氣)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，膜起到傳導(dǎo)質(zhì)子、阻止電子傳導(dǎo)和防止陰、陽極區(qū)反應(yīng)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(shí)釋放出電子和質(zhì)子，二者經(jīng)外電路及膜分別傳導(dǎo)至陰極。1/31/202359北京印刷學(xué)院自動(dòng)化教研室第七章燃料電池發(fā)電技術(shù)DMFC的半電池反應(yīng)和電池總反應(yīng)如下所示:陽極反應(yīng):CH?0H+H?OCO?+6H?+6e?E?a=0.046V陰極反應(yīng):3/20?+6H?+6e?3H?OE?c=1.23V總反應(yīng):C