（理论物理专业论文）两类典型能量转换系统—燃料电池和内燃机循环—的性能特性与优化理论研究.pdf

摘要 2 0 世纪以来，能量转换技术发展迅速。随着能源问题的日趋突显，寻求合适 的新能源及清洁能源成为世界各国关注的焦点，而不断改进热力循环方式以提高 能量转换装置的性能则一直是能源技术发展的主要趋势。在这种背景下，以揭示 能量转换的内在机制、优化能量系统的工作特性为主要目的各种热力学分析方法 应运而生，它对于开拓新型热力循环与系统、提高能源系统的整体性能都是十分 有意义的。 燃料电池是氢能利用的主要方式之一。它既适合于作分布式电源，又可组成 大容量中心发电站，因此被认为是2 1 世纪首选的高效、节能、环保的发电方式 之一。而近一百年来，汽车产业的巨大进步，首先源于内燃机工业强劲发展的推 动，同时又促进了内燃机自身的发展。内燃机发展至今，已广泛应用于工业、农 业、电力、国防等各个领域，是当今用量最大、用途最广的最重要的热能动力机 械。因此，对这两种典型的能量转换系统进行热力学研究，不仅有重要的理论意 义，而且有极大的实用价值，对开发新能源、发展新技术、高效利用能源、改善 生态环境、开拓交叉学科等都具有重要意义。 基于以上原因，本论文围绕燃料电池系统和几种典型内燃机循环的性能优化 问题展开，探索受各种不可逆因素影响的热力装置和系统的各种最优性能参数以 及它们之间的关系。主要研究内容如下： 在第一章中，简单介绍了能量转换系统的研究背景及发展。 第二章对一类工作在稳定状态的燃料电池建立不可逆的理论模型，考虑来自 电化学反应、电阻及与环境之间传热等多种不可逆性所造成的影响。从能量转换 的角度出发，结合电化学、非平衡态热力学和有限时间热力学理论，研究了此类 燃料电池的物理及电化学性能，具体讨论了各类设计及操作参数对燃料电池性能 的影响。所得结果可为实际燃料电池的优化设计和运作提供一定的理论依据。 第三章提出了一个新的理论模型用来描述在稳定状态下工作的燃料电池热 机混合系统的性能，对一些基本的设计特性以及潜在的关键问题进行了分析。在 模型中综合考虑了多种不可逆损失，如电化学反应、电阻、燃料电池与热机之间 的传热以及释放到环境中的热漏等。在研究中应用能量与熵分析的方法对多种不 可逆损失进行阐明，并由此对整个混合系统的输出潜能加以评定。所得结果对燃 料电池混合系统的优化设计和操作具有一定的实际指导意义。文中的新方法亦有 助于为同类的能量转换装置及电化学体系的研究和发展提供更好的理论支持。 第四章对o t t o 、d i e s e l 、a t k i n s o n 、m i l l e r 和d u a l5 种内燃机循环进行了有 限时间热力学分析，建立不可逆热机的循环模型，对来自于非等熵压缩和膨胀过 程、有限速率传热过程和透过气缸壁的热漏损失等多种不可逆性对循环性能的影 响进行了研究。得到了一些重要参数的优化判据，由此确定出不可逆内燃机的最 优工作区间。 第五章集中探讨了绝热过程的内部摩擦损耗对o t t o 热机性能的影响。文中 所建立的模型不仅摈弃了一般所采用的内可逆热机的假设，也避免了对不可逆热 机活塞平均速率过于简化的描述。通过数值分析给出了一些性能参数的优化判 据，并详细分析了一系列重要设计参数的影响，对实际热机的性能改善及优化设 计具有一定的指导意义。 第六章以o t t o 和d i e s e l 两种内燃机循环为例，讨论了工质热容量随温度变 化时，循环的参数影响及性能优化问题。通过严格推导得出热容量随温度变化时 理想气体的绝热方程，并分析了o t t o 和d i e s e l 热机的性能，给出了一些重要参 数的优化判据。所得结果新颖而又具有普适性，相关参考文献中的一些重要结论 可从中直接导出。 最后一章概括了全文的主要结论，并对未来的研究提出设想与展望。 本文的研究不仅有利于燃料电池和内燃机循环这两类能量转换装置的性能 改进，所得结果对燃料电池热机混合热力系统的研发也具有重要的理论价值和 实际指导意义，可为相关能量转换系统的优化设计提供理论参考。 关键词：能量转换系统；燃料电池；内燃机循环；性能参数；优化分析 a b s t r a c t s i n c et h e2 0 t hc e n t u r y ，t h ee n e r g yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e d q u i t eq u i c k l y a l o n gw i t ht h ee m e r g e n c eo ft h es e r i o u se n e r g yi s s u e ，s e a r c h i n gf o r n e wc l e a np r o p e re n e r g ys o u r c e sh a v eb e c a m et h ef o c u so fa t t e n t i o nw o r l d w i d ea n d e n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e st h r o u g ht h e i m p r o v e m e n to ft h e r m o d y n a m i cc y c l e sh a sb e e nt h em a i nd e v e l o p i n gt r e n do ft h e e n e r g yt e c h n o l o g i e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ev a r i o u st h e r r n o d y n a m i ca n a l y t i c a l m e t h o d se m e r g ea st h et i m e sr e q u i r et or e v e a lt h ei n h e r e n tm e c h a n i s mo fe n e r g y c o n v e r s i o na n dt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n e r g ys y s t e m s ，w h i c hi sq u i t e s i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fn e wt h e r m o d y n a m i cc y c l e sa n dt h ei m p r o v e m e n t o ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so f h y d r o g e ne n e r g y ，f u e lc e l l sm a yb e u s e da sd i s t r i b u t e de l e c t r i cr e s o u r c e sa sw e l la st h ep o w e rp l a n t sw i t hl a r g ec a p a c i t i e s ， a n dc o n s e q u e n t l y ，a r ec o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h eb e s tc h o i c e sf o rp o w e rg e n e r a t i o n w i t hh i g h l y e f f i c i e n t , e n e r g y s a v i n g a n de c o f r i e n d l yc h a r a c t e r i s t i c si nt h e21 n l c e n t u r y o nt h eo t h e rh a n d ，d u r i n gt h ep a s th u n d r e dy e a r s ，g r e a ta d v a n c e m e n to ft h e v e h i c l ei n d u s t r yw a s ，f i r s to fa n ，d u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m a lc o m b u s t i o n e n g i n e ，a n da c c e l e r a t e dt h i st e c h n o l o g yt oac e r t a i ne x t e n ta tt h es a m et i m e s of a rt h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nt h ea r e a so fi n d u s t r y ， a g r i c u l t u r e ，e l e c t r i cp o w e r ，n a t i o n a ld e f e n s e ，a n ds oo n e v e nt o d a yt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei ss t i l lt h em o s tp o p u l a ra n di m p o r t a n tp o w e rm e c h a n i s mw i t ht h e l a r g e s tr a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，t h et h e r m o d y n a m i ci n v e s t i g a t i o n sa b o u tt h e s e t w ot y p i c a le n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c et ot h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n so fn e we n e r g yt e c h n o l o g i e s ，t h ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fe n e r g yr e s o u r c e s ， t h ei m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t ，a n dt h ee x p l o i t a t i o no fi n t e r d i s c i p l i n a r yr e s e a r c h b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do i lt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h ef u e l c e l ls y s t e m sa n ds e v e r a lt y p i c a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ec y c l e s t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es y s t e m su n d e rt h e i n f l u e n c eo ft h ev a r i o u si r r e v e r s i b i l i t i e sa l eo p t i m i z e da n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e p a r a m e t e r sa r es e a r c h e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r eo r g a n i z e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n t o ft h ee n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sa r eg i v e n i nc h a p t e r2 ，a ni r r e v e r s i b l em o d e lo fac l a s so ff u e lc e l l sw o r k i n ga ts t e a d ys t a t e i se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h ei r r e v e r s i b i l i t i e sr e s u l t i n gf r o me l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n ， e l e c t r i c a lr e s i s t a n c ea n dh e a tt r a n s f e rt ot h ee n v i r o n m e n ta r et a k e ni n t oa c c o u n t t h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e so ft h ef u e lc e l la r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e t h e o r y o f e l e c t r o c h e m i s t r y ，n o n e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c s ，a n d f i n i t e t i m e t h e r m o d y n a m i c sf r o ma ne n e r g e t i cp o i n to fv i e w ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs o m ed e s i g n a n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef u e lc e l li sd i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s u l t so b t a i n e dm a yp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rb o t ht h eo p t i m a ld e s i g na n d o p e r a t i o no fr e a lf u e lc e l l s i nc h a p t e r3 ，at h e o r e t i c a l l ym o d e l i n ga p p r o a c hi sp r e s e n t e dw h i c hd e s c r i b e st h e b e h a v i o ro faf u e lc e l l h e a te n g i n eh y b r i ds y s t e mi ns t e a d y - - s t a t eo p e r a t i n gc o n d i t i o n t op r o v i d eu s e f u lf u n d a m e n t a ld e s i g nc h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sp o t e n t i a lc r i t i c a l p r o b l e m s t h ed i f f e r e n ts o u r c e so fi r r e v e r s i b l el o s s e s ，s u c ha st h ee l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n ，e l e c t r i cr e s i s t a n c e s ，f i n i t e - r a t eh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ef u e le e l la n dt h eh e a t e n g i n e ，a n dh e a t l e a kf r o mt h ef u e l c e l lt ot h ee n v i r o n m e n ta r es p e c i f i e da n d i n v e s t i g a t e d e n e r g ya n de n t r o p ya n a l y s e sa r eu s e dt oi n d i c a t et h em u l t i - i r r e v e r s i b l e l o s s e sa n dt oa s s e s st h ew o r kp o t e n t i a l so ft h eh y b r i ds y s t e m t h er e s u l t so b t a i n e d m a yg i v eap r a c t i c a lg u i d a n c eo nb o t ht h eo p t i m a ld e s i g na n do p e r a t i o no fr e a lf u e l c e l l h e a te n g i n eh y b r i ds y s t e m s t h i sn e wa p p r o a c hc a l la l s op r o v i d es o m et h e o r e t i c a l s u p p o r t sf o rt h ei n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs i m i l a re n e r g yc o n v e r s i o ns e t t i n g s a n de l e c t r o c h e m i s t r ys y s t e m s i nc h a p t e r4 ，t h ei r r e v e r s i b l ec y c l em o d e l so ff i v ek i n d so fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ss u c ha st h eo t t o ，d i e s e l ，a t k i n s o n ，m i l l e r ，a n dd u a lc y c l e sa l ee s t a b l i s h e d t h r o u g hf i n i t e t i m et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s b yu s i n gt h e s em o d e l st h ei n f l u e n c eo f m u l t i i r r e v e r s i b i l i t i e s c o m i n g f r o mt h ea d i a b a t i c c o m p r e s s i o na n de x p a n s i o n p r o c e s s e s ，f i n i t e - r a t eh e a tt r a n s f e ra n dh e a tl e a kl o s st h r o u g ht h ec y l i n d e rw a l lo nt h e p e r f o r m a n c e so ft h eh e a te n g i n e sa l ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u mc r i t e r i ao fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，a n dc o n s e q u e n t l y ，t h eo p t i m a l l yo p e r a t i n gr e g i o n s o ft h ee n g i n ec y c l e sa r ed e t e r m i n e d i nc h a p t e r5 ，t h ee f f e c to ft h ei n t e r n a lf r i c t i o nd i s s i p a t i o ni nt h ea d i a b a t i c p r o c e s s e so nt h ep e r f o r m a n c eo f a ni r r e v e r s i b l eo t t oh e a te n g i n ei sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e c y c l em o d e le s t a b l i s h e d h e r ed i s c a r d sn o to n l yt h eu s u a lh y p o t h e s e so f e n d o r e v e r s i b l ec y c l e sb u ta l s ot h eo v e rs i m p l ed e s c r i p t i o no ft h ep i s t o nm e a nv e l o c i t y f o rt h ei r r e v e r s i b l eh e a te n g i n e s t h eo p t i m u mc r i t e r i ao fs o m em a i np a r a m e t e r sa l e d e t e r m i n e dt h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s e s ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h em a j o rd e s i g n p a r a m e t e r si si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so b t a i n e dm a yp r o v i d eas i g n i f i c a n tg u i d a n c e f o rt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n do p t i m a ld e s i g no fr e a lh e a te n g i n e s i nc h a p t e r6 ，t h ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o na n dp a r a m e t e rs e l e c t i o ni s s u eo ft h e o t t oa n dd i e s e le n g i n e sa r ei n v e s t i g a t e dw i t hc o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r e d e p e n d e n t h e a tc a p a c i t i e so ft h ew o r k i n gf l u i d t h ea d i a b a t i ce q u a t i o no fi d e a lg a s e sw i t ht h e t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n th e a tc a p a c i t yi ss t r i c t l yd e d u c e da n du s e dt oa n a l y z et h e p e r f o r m a n c e so ft h eo t t oa n dd i e s e lh e a te n g i n e s t h eo p t i m u mc r i t e r i ao fs o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r eg i v e n t h er e s u l t so b t a i n e da l en o v e la n dg e n e r a l ，f r o m w h i c hs o m er e l e v a n ti m p o r t a n tc o n c l u s i o n si nl i t e r a t u r em a yb ed i r e c t l yd e r i v e d i nt h el a s tc h a p t e r ，t h ec o n c l u s i o n so b t a i n e da r es u m m e du pa n dt h es t a t u sa n d p r o s p e c t so f t h ep r e s e n tr e s e a r c ha l er e v i e w e db r i e f l y t h i sr e s e a r c hm a yp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rb o t ht h eo p t i m a ld e s i g na n d o p e r a t i o no fr e a lf u e lc e l l sa n di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s ，a n di ti sa l s oe x p e c t e d t h a tt h i sn e wm e t h o db eu s e di nt h ei n v e s t i g a t i o na n do p t i m i z a t i o no fs i m i l a re n e r g y c o n v e r s i o ns e t t i n g sa n dh y b r i ds y s t e m s k e y w o r d s ：e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m ；f u e lc e l l ；i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ； p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ；o p t i m i z a t i o na n a l y s i s 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) 扭 渺年了月9 b 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( v ) 1 经厦f - j ；t 学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于必叼，年7 月夕日解密，解密后适用上述授权。 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人c 签名，：钕 沙8 年7 月7 日 第一章引言 第一章引言 1 1 典型能量转换系统的研究背景 能源、材料和信息被视为现代工业和科学的三大支柱之一。当前，人类正面 临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。能源是经济和社会发展的基本动 力。随着人们生活水平的提高，对能源的需求必然会增加，能源的生产和利用又 是造成环境污染的重要原因之一，因此在有限的资源和环保要求的制约下如何合 理利用能源资源是实现可持续发展战略的关键所在。为了更有效地利用能源，必 须对能源的开发和转换装置进行理论研究，以研究能量转换基本规律为主要内 容、以提高能量利用经济性为主要宗旨的热力学循环研究 1 5 】就是最重要的研究 课题之一。 热力学是研究能量转换以及与转换有关的物性( 或参数) 之间相互关系的一 门学科。从1 8 世纪末到1 9 世纪初，随着蒸气机在生产中的广泛使用，如何充分 利用热能来推动机器做功成为科学家们重要的研究课题。在这样的背景下，1 9 世纪中叶，人们在了解热功相互转换规律、努力提高热机效率的同时，建立和发 展了经典热力学理论。经典热力学对平衡态和可逆过程给出了相当完整的描述。 科学家们基于热力学第一定律和热力学第二定律，建立了一套完整热力学的数学 理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，包括最重要的热力学函数 内能、熵、自由能和焓等，构成了整个经典热力学体系，它也提供了许多优化判 据，这些判据在物理、化学和工程热力学研究中得到了广泛的应用。 2 0 世纪7 0 年代以来，以寻求实际热力过程和装置的性能界限、达到热力学 优化为目标的热力学研究在物理学及工程学领域均取得了较大进展，如对热机 6 ，7 1 、制冷机 8 ，9 、热泵 1 0 ，1 1 1 等传统热力装置的性能优化研究。所涉及到 的多种研究方法，如火用分析法、有限时间热力学、热经济学和热力学优化理论等 得到了推广和应用。这些热力学分析方法虽然侧重点不同，但都是以热力学、传 热学和流体力学等学科相结合的方法，在一定条件或尺度下，以减少系统不可逆 性、增强系统热力学性能为主要目标，对存在传热、流体流动和传质等不可逆的 实际热力过程和装置的性能进行优化。 近几十年来，上述热力学理论得到了飞速的发展，并已深入到许多新技术领 厦门大学博士学位论文 域和新学科分支，研究内容涉及磁制冷技术 1 2 1 4 1 、半导体热电器件 1 5 1 7 、热 离子器件 1 8 - 2 0 、太阳能热力系统 2 1 】、化学反应 2 2 】、流体系统【2 3 】、热声装置 2 4 1 、地球风能系统【2 5 】、热能存储装置 2 6 】、光驱动热机【2 7 】、生态学优化 2 8 1 、 量子热机和制冷机 2 9 - 3 1 、生命过程 3 2 1 、计算机逻辑运算【3 3 】、模拟退火 3 4 】、 能量转换器 3 5 1 、经济应用等方面 3 6 ，3 7 。 这其中要重点介绍的是有限时间热力学 3 8 】。有限时间热力学主要研究非平 衡系统在有限时间中能流和熵流的规律，尤其在开发新能源和发展高新能量转换 技术等方面有很大的应用潜力。它包含了经典热力学的基本规律，同时又引进了 一些新规律，获得了一些新的性能界限。其主要任务是结合热力学、传热学、流 体力学以及其它传输过程的基本规律，从复杂的实际热力学系统中，构造出能较 好体现实际过程的热力学模型，由一系列的约束条件来分析可能的过程路径，找 出给定条件下的目标极值，得到最佳性能指标。有限时间热力学采用的主要的工 具是变分原理和最优控制理论，因此也可称为最优化热力学。除了提供比经典热 力学更为实际的性能界限外，它还有助于人们更深刻地理解不可逆性对热力系统 性能的影响。它所建立的是包含实际系统典型特征的理想模型，物理概念清晰， 得出的结论具有一定的普适性。 时至今日，有限时间热力学已经成功地应用于许多研究课题。机械、电、磁、 化学、气动、生命、经济等过程和装置均可与不可逆热过程采取统一处理方法和 思想进行优化和分析，将有限时间热力学理论拓广到各种广义热力学系统，建立 设计和运行的广义热力学优化理论。因此，有限时间热力学比经典热力学更为实 际和普遍，它能揭示热力循环过程中不可逆性的本质规律，有助于人们掌握在不 可逆因素影响下提高热力循环性能的方向和极限。迄今为止，有限时间热力学在 大量实际问题上的成功应用，如分析热机、制冷机、热泵、多热源循环、有限热 源循环、分馏系统、化工系统和化学反应系统的性能，确定地球风能的上界，揭 示量子系统特征，生命过程的应用，探讨广义势、有限时间可用性、热力学长度 等研究都大大丰富了现代热力学理论。 综上所述，热力学虽是一门古老的学科，但与其相关的分支学科和研究仍在 不断地发展和完善，其中不断涌现出的新理论在国防、工农业生产、医疗、化工、 交通、生命科学等方面都有应用价值。它的发展和广泛应用对开发新能源、发展 新技术、高效高质利用现有能源、保护自然资源、改善生态环境、开拓交叉学科 2 第一章引言 研究等都具有重要意义。 1 2 燃料电池技术的发展及其研究现状 随着社会的飞速发展及人类对能源需求的大幅度增加，化石能源等不可再生 能源正日益枯竭，由其所造成的环境污染日趋严重。因此，作为一种绿色新能源， 氢能得到越来越多的应用，而氢能利用的一个重要方面就是燃料电池 3 9 。 燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为 电能的发电装置，之所以受到世人的广泛瞩目，是因为它具有其它能量发生装置 不可比拟的优越性，主要表现在效率、安全性、可靠性、清洁性、良好的操作性 能、灵活性及未来发展潜力等方面。它能产生满足生态环境要求的清洁、高效的 电力，是一种更理想的能量转换装置 4 0 】。因此燃料电池系统的研究对新能源的 发展和应用具有重要的意义 3 9 ，4 1 。 1 2 1 燃料电池的发展历史 燃料电池在大规模产业化之前已经有很长的发展历史。1 8 3 9 年英国的w r g r o v e 爵士发明了燃料电池 4 2 】，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃 料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1 8 8 9 年l m o o d 和c l a n g e r 首先采用了燃 料电池这一名称 4 3 】，并获得2 0 0 m a m 2 的电流密度。由于发电机和电极过程动 力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到1 9 5 9 年才有了实质性的进展，英国 剑桥大学的f t b a c o n 用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。1 9 6 0 年，这种电池成功地应用于阿波罗( a p p o l l o ) 登月飞船。从1 9 6 0 年开始，氢氧燃 料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从1 9 8 0 年开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通等各个领域中相继得以应用。 1 2 2 燃料电池的分类及应用 根据电解质材料的不同，燃料电池通常可以分为五大类 4 1 】：( 1 ) 碱性燃料电 池( a f c ，a 1 k a l 硫f u e lc e l l ) ，一般以氢氧化钾为电解质；( 2 ) 质子交换膜燃料电 池( p e m f c ，p o l y m e re l e c t r o l y t em e m b r a n ef u e lc e l l ) ，以全氟或部分氟化的磺酸 型质子交换膜为电解质；( 3 ) 磷酸型燃料电池( p a f c ，p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l ) ， 以浓磷酸为电解质；( 4 ) 熔融碳酸盐燃料电、池( m c f c ，m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ) ， 厦门大学博士学位论文 以熔融的锂- 钾碳酸盐或锂- 钠碳酸盐为电解质；( 5 ) n 体氧化物燃料电池( s o f c ， s o l i do x i d ef u e lc e l l ) ，以固体氧化物为氧离子导体，如以氧化钇稳定的氧化锆膜 为电解质。各种燃料电池的特性和应用场合如表1 1 所示。 表1 1 燃料电池的分类 低温燃料电池中溢燃料电池高溢燃料电泡 ( 6 0 1 2 0 ) ( 16 0 _ 一2 ：o )( 6 0 0 - - 1 0 0 0 ) a f c p e k 匝c e 艮f c m c f cs o f c 类型 质子交换膜燃 熔融碳酸燃料 阉态氧燃料电 碱性燃料电池磷酸燃料电泡 料电泡电池池 汽车、潜水艇、 太空飞行，国 移动电话、笔i 已 废用本电脑、家程加熟电联产电，一 联合循环热电电厂、家庭电 防 r 源传送 热器、热电联产 电一 能源利j ；j 率 无污染捧放； 污染捧放低；嗓污染播放低： 能源利用率商：嗓音低： 维护少；电效 音低；固体电解 噪音低t 赞用 商：嗓帝低；没有外部气体 率高：制造赞 特性 质适合予大规 商：连续运行 没有外部气体配麓：腐蚀性 饿非常受t 不 适合予王她应 模生产：与常规 时电效率会降 配霄：腐蚀性电解液：对材 技术相比报爨。 低。 电解液。料的要求非常 用。 苛刻。 电解体 艇氧化镩溶液质子w 渗透膜磷酸锂和碳酸镡 阎体陶瓷体 天然气、锸c 气、天然气、煤气、 燃料 纯氢氯、甲醇灭然气必然气，氮 沼气沼气 系统的 6 0 _ 9 0 4 3 5 8 3 r 7 _ 4 2 5 0 5 0 6 ， 电效率 ( 1 ) 碱性燃料电池( a f c ) 碱性燃料电池是最早得到实际应用的一种燃料电池，早在1 9 世纪6 0 年代， 美国航空航天局( n a s a ) 就成功地将培根型碱性燃料电池用于阿波罗宇宙飞船 上，不但为飞船提供电力，也为宇航员提供饮用水。a f c 采用3 5 - - - 5 0 的k o h 作为电解液，浸在多孔石棉膜中或装载在双孔电极碱腔中，两侧分别压上多孔的 阴极和阳极构成电池。电池工作温度一般在6 0 - 1 2 0 。c ，可自常压或加压条件下 工作。 现今，以纯氢、纯氧作为燃料的碱性燃料电池成功地在交通及军事等领域得 到应用。比利时z e v c o 公司努力开发电动汽车用a f c 电源，并装配了5 k w a f c 城市出租车 4 4 】。德国西门子公司将其1 0 0 k w a f c 系统装载在德国海军u 2 0 5 潜 4 第一章引言 艇上作为a i p 推进系统【4 5 】。但是，从短期来看，碱性燃料电池的应用局限在空 间、a i p 系统及固定发电系统等方面，而且，面临其他类型燃料电池的竞争，碱 性燃料电池的应用前景不容乐观。 ( 2 ) 磷酸燃料电池( p a f c ) 磷酸燃料电池采用的电解液是1 0 0 的磷酸。磷酸燃料电池的工作温度一般 在2 0 0 。c 左右。单电池的工作电压在o 8 v 以下，发电效率可达4 0 - - 5 0 ，如果 采用热电联供，系统效率可高达8 0 。和其他燃料电池相比，磷酸电池制作成本 低，是目前发展得最为成熟的燃料电池，已经实现商品化，目前国际上大功率的 燃料电池电站均是使用这种燃料电池。美国联合技术公司u t c 开发出的2 0 0 k w p c 2 5 磷酸燃料电池电厂是第一个商业燃料电池电厂，在北美、南美、欧洲、亚 洲和澳大利亚已经安装了2 6 0 个这样的电厂【4 6 】。日本的f c g 1 计划先后开发了 4 5 m w 和l l m w 磷酸燃料电池电站，后者是目前世界最大的燃料电池电站。但 是，燃料电池电站的运行发电成本比网电价格要高很多，目前1 5 0 0 2 0 0 0 美元 l ( w ，还很难取得商业运行优势。 ( 3 ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 熔融碳酸盐燃料电池是2 0 世纪5 0 年代后期发展起来的一种中高温燃料电 池，工作温度高至6 5 0 。c 左右，不需要低温电池必须的铂系催化剂，而且对燃料 的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。高的工作温度加速了化学反应速 度，减少了极化损失，将效率提高到5 5 5 8 ，高温度的排放气体可用来进行 热电联产或与汽轮机联合循环，总效率可达7 0 及更高。熔融碳酸盐燃料电池目 前正处于商品化前的示范运行阶段，美国能源研究公司的2 m w 示范电厂于1 9 9 6 年开始运行并累计发电2 5 0 万度电。日本也正在开展1 m w m c f c 实验电厂工作。 为实现m c f c 的商品化，还需要在电堆寿命、电堆性能、系统可靠性以及发电 成本等多方面继续努力。， ( 4 ) 圆体氧化物燃料电池( s o f c ) 固体氧化物燃料电池也是一种全固体燃料电池，电解质是复合氧化物，最常 用的是氧化钇或氧化钙掺杂的氧化锆。具有效率高( 5 0 - 6 5