新能源發(fā)電技術 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)的基本構成8.3.2車用燃料電池系統(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)的基本構成8.3.2車用燃料電池系統(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)構成示意圖燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構成燃料供給燃料處理器燃料預處理單元燃料電池組熱管理余熱回收熱量管理單元負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——傳感器中央動力控制單元燃料預處理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構成作用將供應的初始燃料轉(zhuǎn)化成燃料電池所需氣體燃料流程脫硫、催化重整、CO變換特點電池堆的工作溫度越低，對燃料的要求條件就越苛刻要求進入PAFC的燃料含氫比例必須很高進入PEMFC的燃料必須不含一氧化碳燃料預處理單元燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構成要求總反應方程式：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)的基本構成要求燃料電池能量①可能導致燃料電池出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，或不同部位出現(xiàn)較大的溫度差，對燃料電池堆的平穩(wěn)運行不利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)的基本構成低功率小型便攜式PEMFC系統(tǒng)不需專門的冷卻設備，可利用周圍環(huán)境空氣的自然對流滿足電池堆散熱需求

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

可以利用其熱量對燃料和氧化劑進行預熱，為燃料的預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)定設計電壓達不到用戶特定要求用戶是交流電用戶產(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燃料電池控制器燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本構成系統(tǒng)的“大腦”作用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的使用狀態(tài)經(jīng)常會變化。因此，必須對燃料電池系統(tǒng)進行實時監(jiān)控并進行跟蹤調(diào)整。構成多種傳感元件(如溫度、壓力傳感器)、執(zhí)行元件(如電磁閥）和執(zhí)行控制的計算機程序。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)換器負載熱能熱管理燃料供給量控制處理系統(tǒng)反應條件控制氫氣供給量控制未反應氣體循環(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)的基本構成8.3.2車用燃料電池系統(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、電機和系統(tǒng)控制設備組成。當燃料電池的功率大于汽車需要時，可對蓄電池充電；當燃料電池的功率不足時，蓄電池可提供附加功率。功率更大，效率更高，而且續(xù)航力和補充燃料的便捷性也有了提高。動力系統(tǒng)配有蓄電池優(yōu)點車用電池燃料系統(tǒng)車用電池燃料系統(tǒng)燃料電池汽車系統(tǒng)透視圖車用電池燃料系統(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的用量約為50g，這導致了燃料電池的成本居高不下。壽命短

在車輛運行過程中，燃料電池需要經(jīng)歷頻繁的變載工況，這會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)的基本構成8.3.2車用燃料電池系統(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設備天然氣氣體重整設備氫氣家用燃料電池系統(tǒng)優(yōu)勢：避免輸電過程中意外故障的影響2節(jié)約了建造及維護費用

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

4家用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品及應用現(xiàn)狀加拿大本世紀初，巴拉德公司開發(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。美國普拉格公司在同期開發(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，且在一米遠處噪聲小于60dB。日本燃料電池技術早已進入工廠、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)的基本構成8.3.2車用燃料電池系統(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建廠時間短2環(huán)保問題少34動態(tài)變化特性好優(yōu)點燃料電池發(fā)電站MCFC發(fā)電系統(tǒng)實例美國FuelCellEnergy公司開發(fā)DFC300、DFC1500以及DFC3000系列的MCFC系統(tǒng)，效率可達47%-50%。截止2007年在美國安裝接近40臺發(fā)電裝置，裝機總量達到11.5MW。德國MTU公司組裝成的燃料電池發(fā)電站，其發(fā)電效率達到47%，主要應用在工廠、醫(yī)院、沼氣工程、生物制氣裝置、分布式供熱系統(tǒng)和計算中心。燃料電池發(fā)電站SOFC發(fā)電系統(tǒng)實例日本三菱（20