燃料电池原理及应用.ppt

燃料电池原理及应用 燃料电池有什么用 以氢为燃料发电的燃料电池作为21世纪的能源 可以在许多领域中应用 燃料电池的普及将会极大地拉动经济发展 尤其典型的是汽车产业 燃料电池不仅可以有效控制地球温室效应和保护环境 还可以解决现有资源枯竭时的能源问题 到目前为止 一直支持大量生产和大量消费型社会的化石燃料将被氢取代 以氢为主流的能源革命已经拉开了序幕 了解燃料电池 现在能够真正了解燃料电他的人很少 原因主要是 首先 是 燃料电池 这个名词容易使人误解 燃料电池原本是一种与火力发电和核发电相同的发电装置 但从字面上却容易使人联想到电池 以为是一种新型的干电池或蓄电池 其次 是其用途非常广泛 由于它可以作为发电厂 汽车的动力源及手机电源等 其组成和工作原理等有时也许难以理解 另外 燃料电他的研究开发速度太快大概也是其原因之一 在不久以前还被称为 理想的技术 的燃料电地即将普及 速度之快今世人始料不及 尽管还有一些有待解决的技术课题 但人们还是希望了解已经实用化的很多东西 本讲主要内容 本讲内容从燃料电池被关注的原因到其原理和组成 以及应用领域等方面均作了简要介绍 并且涉及到目前的开发情况等 可以作为在更深入地学习燃料电池之前的基础知识掌握 希望燃料电池能被更多关心环境问题的人们所了解 一 燃料电池的优势 燃料电池是现在最引人注目的能源装置之一 其原理非常简单 它通过氢与氧的化学反应产生电能和热能 因为是通过化学反应而产生电能 所以称为 电池 实际上是一种发电装置 200多年前人们已经发明了燃料电池 但当时认为该技术是不可能普及应用的 直至最近几年 才被人们所认识 并称之为 能源的革命 目前 燃料电池实际应用的例子还比较有限 实用化方面还有许多技术问题需要解决 尽管如此 由于燃料电池具有保护地球环境以及可构筑环保型社会等诸多优势 已引起广泛地关注 洁净 安全的发电装置 燃料电池发电时只排放出水 而使用石油或煤炭的火力发电 燃烧化石燃料时排放出的氮氧化物和硫化物等都是有害物质 排放的二氧化碳又是造成地球温室效应的主要因素 因此 这些排放有害物质的发电装置正逐渐受到限制 燃料电池也不同于核能发电 它不产生放射性的废弃物 可以说是危险性极低的发电装置 高效率 分散型的发电装置 通过高压线路长距离地把从遥远的大型发电站发出的电能输送到用户 电能损失和成本都较高 是一种低效率的方法 然而 燃料电池不论规模大小 都可以设置在需要电的工厂或住宅附近 因而可以提高综合效率 另外 用于车辆时 也能很好地适应运行 停止以及载荷的变化 发电量大小可变化 可组成电能和热能同时利用的 发电及余热利用系统 大型发电站一般距离用户较远 所以其发电的余热不能被很好地利用 几乎都被浪费掉 燃料电池则不同 它可以安放在能够利用到余热的地方 组成电能和热能同时利用的 发电及余热利用系统 可以最有效地利用能源 应用范围日益广泛 现在燃料电池不仅可以应用到最受人们关注的燃料电池车 工厂 办公楼以及普通家庭 甚至还可以用于移动电话等许多领域 其普及应用的前景十分看好 基于上述理由 主要的汽车生产厂 电机厂 电力及城市煤气等与能源有关的企业竞相开发研制燃料电池 同时 各国政府也给予积极的支持 促使燃料电池的研究与开发不断深入 燃料电池一定会成为21世纪能源中的一颗璀璨明珠 二 开创新能源 现有能源的最大问题是大量消费化石燃料 因而会造成对环境的破坏 为了减缓和防止破坏环境 限制化石燃料的使用以及积极推广使用自然能源已是大势所趋 理想的替代能源是太阳能和风能等可再生能源 风力发电已经在欧洲的某些地区应用 由于受地形和气象条件的限制 在普及性方面还很困难 太阳能发电系统不仅效率低 而目成本也居高不下 还不能普及 在众多的能源转换装置中 燃料电池的优点最为突出 它是通过氢与氧的反应发电 反应产物是水 氢和氧径自然界中大量存在 取之不尽 并且排出的水也不污染环境 所以 它是最佳的选择 空气中有大量的氧气 但是地球上的氢却不是以氢原子的状态单独存在 需要从含有含氢的化合物的各种原料中高效率地提取 其中 最有希望的是天然气 甲烷 和甲醇等碳氢化合物 也包括石油和煤炭等化石燃料 在提取氢的过程 称为重整 中要消耗能量 同时也会排放出一些有害物质 需要指出的是 燃料电池虽然也有使用天然气 石油和煤炭等化石燃料的情况 与现有的火力发电相比 也仍具有高效率的优点 另外 由于燃料电池不是通过燃烧发电 所以几乎不产生氮氧化物 NOx 等有害的物质 对环境的不良影响极小 如木材屑 家畜粪便及生物垃圾等 这些以前不能作发电燃料的物质 如果转化为甲烷就能有效地利用 具有可以实现 环保型社会 的优点 将来 如果不使用化石燃料 而是通过风能发电或太阳能发电来电解水得到足够的氢 那么就能够实现完全洁净的能源系统 虽然风能或太阳能在无风时或夜间不能利用 但通过与燃料电池组合 就能够组成稳定且洁净的能源系统 降低成本方面也大有希望 特别是燃料电池车已取得突破性的进展 成本将会大幅度地降低 燃料电池不同于一般的 电池 既然燃料电池是一种发电装置 那么就有必要说明它被称为 电池 的原因 在介绍燃料电池的结构之前 首先要说明与它关系较为密切的干电池 干电池是由电解质 溶于水时能分解出阳离子和阴离子并导电的物质 和两个电极组成 锰电池中的锌电极具有容易释放电子的性质 而二氧化锰电极则具有容易得到电子的性质 当用一根导线连接央着电解质的两个电极时 电子在导线中移动 电流 而离子则在电解质中移动 这就是干电池产生电流的化学原理 燃料电池的结构 燃料电池的结构与干电池基本相同 它也是通过化学反应 电子在夹着电解质的两个电极间的连接导线中移动产生电流 同时 离子在电解质中移动 通常发电机是通过机械动力发电 而燃料电池装置中却没有机械部分 锰电池是分别在锌和二氧化锰两个电极上发生化学反应产生电流 燃阳电池则是通过提供给电极的氢与氧反应产生电流 无论哪种电池都是通过化学反应来产生电流 实际上就是从通过化学反应产生电流的意义上将其称为 电池 从这个意义上说 燃料电池是 电池 在锰电池中 当锌和二氧化锰的反应结束后 就再也不能产生电流了 而被称为二次电池的可充电的镍氢电池等电池 用完后再充电时 由于发生可逆的化学反应又回到原来的状态 所以可以反复使用 只要从外部连续地供给作为燃料的氢和氧 那么 燃料电池在任何时候都可以产生电流 能够连续地供给燃料 是燃料电池的最大特点 它已经体现在 燃料 这两个字当中 发电效率高 因为燃料电池利用氢与电的反应产生电流 所以 与其他机械发电的方法相比 能源利用效率高 为说明这一点 可与现有的火力发电等方式进行比较 火力发电时 首先将石油或天然气等燃料燃烧以产生热量 然后利用产生的热量使燃气轮机或蒸汽轮机转动 用这个动力驱动发电机旋转产生电能 这个过程是先燃烧燃料 将化学能变为热能 再通过热膨胀转变为机械能 最后转变以电能 它需要经过几个步骤 每个步骤都有能量损失 为了尽可能地减少损失 提高效率 火力发电站不得不达到一定大的规模 核能发电 除了利用核分裂产生热能外 其他的与火力发电基本相同 而燃料电池则是通过氢和氧的化学反应直接得到电流 没有中间步骤 由化学能转变为电能 加上热能 的步骤非常简单 所以能量损失较少 这就是利用燃料电池发电比火力发电效率更高的原因 并且还具有即使规模小效率也较高的优点 燃料电池的另一优点是 因其规模小而更容易利用发电时排出的热量 组成发电及余热利用系统 由于排出的热量能够有效地用于空调和水的加热等 所以 进一步提高了能源的综合利用效率 解决环境问题的有效手段 21世纪面临的最大问题之一就是环境被破坏 燃料电池是解决该问题的有效方法 这是因为从发电厂 工厂 以及汽车等排出的大量各种物质 氮化物 硫化物和烟尘 悬浮颗粒物质 等是造成大气污染和地球温暖化的主要原因 而燃料电池可以替代这些正在使用的锅炉和内燃机 各种发动机 等 影响环境的物质排放量极小 若从燃料电池本身来看 排出的物质的确只有水 但是依靠现有技术从化石燃料中提取氢的重整过程中多少会有一些其他物质排出 尽管如此 实际排出量比发动机或锅炉等低得多 通过已实用化的 磷酸型燃料电池 与柴油发动机比较加以说明 使用燃料电池产生的氢化物相当于汽油发动机或柴油发动机及燃气轮机的1 10 1 100 由于供给燃料电池的燃料首先要通过脱硫器 所以造成酸雨的硫化物为零排放 导致哮喘的烟尘发生量也被控制在检测标准以下 另外 噪声和振动也可以控制得极低 发动机等产生噪声和振动的主要原因是其中有许多高速运转的零件 而燃料电池没有机械部分 直接通过化学反应发电 需要动力时 也是单个电机旋转 所以可实现无噪声平稳地运行 可减少二氧化碳排放50 地球温暖化的主要原因是大气层CO2的增加 燃料电池是可以减少CO2排放量的实用装置所以人们寄与很大希望 首先 燃料电池与其他的发电方式相比 由于燃料的化学能转变为电能的效率较高 所以得到等量电能时燃料的使用量较少 其次 可以通过发电及余热利用系统有效利用以前未被利用的发电余热 来减少燃料的使用量 另一个要点是可以选择使用CO2排放量少的燃料 在各行业中二氧化碳排放量最多的是包括工厂在内的产业部门 然后是民生和运输部门等等 由于燃料电池可以应用于工厂 车辆以及家庭等许多领域 所以 总体的二氧化碳排放量还可以大幅度地削减 根据新能源与产业综合开发机构发布的预测结果表明 利用燃料电池组成的发电及余热利用装置 其二氧化碳的排放呈大约为现有装置的1 3 以燃料电池为车辆动力时 可削减二氧化碳的排放量约1 2 应用领域广泛 燃料电池的应用领域非常广泛 这一点比它的高效和洁净更具魅力 火力发电和核能发电等已有发电系统 不仅要通过庞大的设备集中发电 而且需要送变电系统 而燃料电池则不受这些限制 可以根据需要 选择适当规模的系统 安装在理想的场所 下面将燃料电池可以应用的领域 按规模的大小依次介绍 规模最大的燃料电池可以替代火力发电或核能发电 用于商业发电 主要以高温工作的 熔融碳酸盐型燃料电池为研究对象进行开发 与核能发电相比 发生事故的危险性较小 对环境的影响也小 还可以建设在需要电力的大城市的近郊 规模稍小的燃料电池可建在住宅小区 办公楼 厂区甚至城市中心地带 用于分散发电 不仅是减少因长距离输送电力而产生损耗的有效方法 而且可以组成利用余热的发电及余热利用系统 已经用于高层建筑 工厂或住宅的燃料电池的例子很多 应用领域厂泛 最近 随着高度信息化和自动化办公楼的出现 对计算机系统应急电源的需求也不断增加 面向个人用途的燃料电池正在迅速推厂 最具有代表性的要属燃料电池车和家庭用燃料电池发电及余热利用装置 汽车生产厂 煤气公司及电力公司等正在积极开发这类燃料电池 很快将投放市场 此外 以超小型燃阳电池为电源的笔记本电脑和移动便携电话也处于实用化研究阶段 能够在如此广泛领域中应用的燃料电池是前所未有的新型发电系统 可用于非常时期的多燃料系统 燃料电池的优势之一是可以使用多种燃料 可根据各种燃料电池的用途和条件 选择使用最合适的燃料 例如 普通家庭使用的燃料电池 在城市可以使用天然气 而在没有天然气的地方则可以使用液化石油气 优势之二是可以组成一台用多种燃料驱动的 多燃料系统 的燃料电池 例如 作为应急电源使用的燃料电池 平时使用天然气工作 当发生灾害时也可以使用备用的液化石油气 这样 即使在生活线 指煤气 水和电的供给线路 完全瘫痪时也能摆脱电力危机 由于燃料电池可以使用多种燃料 所以 在用于非常时期应急发电方面 比平时不大使用的柴油发电机更经济 利用燃料电池可以使用多种燃料的特点 在将来的不同时期或不同场合 就可以选择在该时期或场合最有利的燃料 200年前发现的原理 燃料电池的原理是1801年由英国人戴维发现的 燃料电池的方案都是围绕以固体碳为燃料展开 当时设计的燃料电池在制作上非常困难 直到目前为止也没能实现 1839年 英国的哥伦布第一个成功地通过氢氧反应得到电流 哥伦布指出必须使用昂贵的铂作催化剂以及必须保证反应有足够的表面积等 这些一直是研发燃料电池必须解决的技术关键 因此 许多人认为燃料电池的创始人是哥伦布 而不是戴维 问世后的燃料电池却被遗忘了100多年 尽管此后不断有人进行各种实验 但是 由于在制作技术以及材料等方面存在诸多问题 所以一直不为普通人所知 当燃料电池再次引起人们关注时已经是20世纪中叶以后 英国人培根从1932年左右歼始进行燃料电池的实验 并于1952年开发出使用氢氧化钾为电解质的燃料电池 它就是现在已经实用化的燃料电池之一 碱型燃料电池的原型 首先应用于宇宙开发 燃料电池首先应用于20世纪中叶兴起的宇宙开发 因燃料电池具有轻便 简洁和能量转换效率高的特点而被用作宇宙飞船的电源 宇宙飞船使用的燃料电池源于1952年培根开发的燃料电池 美国的联合技术中心 UT 获得了这种燃料电池的专利 与此同时 美国的通用电力公司 GE 也开发出男一种类型的燃料电池 即高分子型燃料电池 并成功地将其推广应用 在1962年后动的载人飞船计划中使用了GE的 高分子型燃料电池 1968年刚阿波罗计划使用了UT的 碱型燃料电池 其中 联合技术中心的 碱型燃料电池在以后的宇宙开发中不断被使用 甚至现在的航天飞船计划中也使用经过多次改进的碱型燃料电池 在宇宙开发上成功应用的燃料电池 陆续应用到地面上 并不断发展 由于宇宙要发使用的碱型燃料电池 要求燃料必须是高纯度的氢 成本较高 所以 地面上的应用主要是以对氢纯度要求不高的 磷酸型燃料电池 为中心展开的 大规模的燃料电池开发计划也是美国首先进行的 早期典型的计划是以煤气公司为主进行的小型燃料电池的TAR 3E计划 1967年 和以电力公司为主研究开发的大型燃料电池FGG 1计划 1971年 等 井均已取得了一定的成果 全球性的开发研制 现在 世界各地都在进行燃料电池的研究与普及工作 加快燃料电池的普及速度完主符合1997年在东京召开的防让地球温暖化东京会议的精神 会上达成的条约规定 发达国家在2010年前将二氧化碳等产生温室效应的气体排放量比1990年削减5 以上 为达到这个目标 世界各国必须减少使用排放大量二氧化碳的化石燃料 转为使用自然能源 德国已决定在2030年前废除所有的核能发电厂 由今后印发展趋势可见 再增建核能发电厂很困难 由于太阳光等自然能源的利用正处在研究之中 所以 许多国家都将燃料电池作为重要发展策略加以扶持 在美国加室福尼亚州启动的关注汽车无公害化研究 也将焦点集中到最现实的方法产燃料电池上 美国政府十分支持燃料电池的开发 通过政府和民间企业的共同努力 推进了燃料电池的普及速度 各季寒冷的欧洲 很早以前就十分关注电力与热量可以同时供给的燃料电池装置 现在 荷兰 意大利和德国等国家都在积极开发研制燃料电池 在亚洲 中国台湾地区对造成大气污染的摩托车也提出了使用燃料电池的计划 中国大陆也启动了利用畜牧业废物为燃料的燃料电池装置的开发研究等等 总之 近年来人们对燃料电池的认识正在快速提升 燃料电池基本原理 利用化学反应发电 首先介绍燃料电池发电时的化学反应 燃料电池的基本结构是由夹着电解质的一对电极和连接电极的导线 外部电路 构成 工作时向一个电极供给氢气 另一个电极供给氧气 供给燃料氢气的电极称为 燃料极 或者称为 阳极 供给氧气的电极称为 空气极 或者称为 阴极 实际的化学反应因燃料电池的种类不同而略有不同 在这里以最常使用的 硝酸型燃料电池 PAFC 和 固体高分子型燃料电池 PEFC 为例进行说明 供给燃料极的氢气 在电极上铂的催化作用下 释放出电子形成氢离子 氢离子通过电解质向空气极移动 电解质具有只能通过离子而不能通过电子的性质 所以 释放出的电子只能在外部电路中移动 当氯离子到达空气极后 与空气极上的氧气以及从外部电路移动过来的电子结合形成水 燃料电池进行化学反应时 导线上形成的电子流为直流电流 随着反应的进行 燃料电池要排出水和释放热量 氯释放电子变为氢离子以及氢离子与氧结合形成水的反应 只能分别发生在气体 电极和电解质三相接触的部分 三相界面 并目该面积的大小决定电流的大小 实际上 氢与氧生成水的反应就是化学中水的电解反应的逆反应 水的电解反应式 2H20 电流 2H2 02水被分解成氢气和氧气 其逆反应 即 氢的氧化反应 在燃料电池内部发生 就能得到电流 2H2 02 2H20 电流 由化学反应获得能量 燃料电池是怎样通过化学反应得到电流的 为此 首先要研究物质具有的能量 燃料电池利用各种物质获得氢 并使之与氧气反应进行发电 这个反应的结果是排出水和释放热量 其化学反应式为 2H2十02 2H20 电流 左边的氢气和氧气是气体 石边的水是液体 比较反应式左右两边的能量 因为气体比液体具有的能量大 所以反应式左边的能量和远远大于右边的能量 由于反应式两边的物质具有能量差 所以在由左向右进行化学反应时 就以 热量 的形式排放出来 燃料电池之所以能发电 可以说是因为能将排出的热量转变为电能 氢气与氧气反应生成水 那么 在物质状态改变时放出的热量当中 哪一部分能够变成电能 释放出的总热量 余热部分热量 反应熵 能够发电的热量 自由能量 在25 一个大气压下 燃料电池可以发电的热量为释放出总热量的83 但这只是燃料电池的理论发电效率 实际上 由于电极反应和电解质阻抗等因素 发电效率不可能达到83 不过 这与现有的锅炉和发动机等热力机相比 效率已经相当高了 燃料电池主要四种类型 主要根据电解质不同分类 磷酸型燃料电池 PAFC 是在60 210 下工作的低温型燃料电池 其电解质使用磷酸水溶液 主要用于旅馆 工厂或办公楼等单独发电系统 常作为固定式电源使用 近几年来可靠性不断提高 是目前应用最多的一种 熔融碳酸放型燃料电池 MGFC 使用碳酸盐为电解质 在600一700 较高温下工作 因为工作温度高 所以可以使用多种燃料 并且还可以利用高温排热与汽轮机等讲行复合发电 是最有希望用于大规模电力事业的燃料电池 固体氧化物型燃料电池 SOFC 也是高温型燃料电池 电解质使用固体氧化铝 在900 1100 高温下工作 与熔融碳酸盐型燃料电池相同 也可利用高温排热进行复合发电 所以也能用于大规模发电 因为电解质为固体 其外形可以制作成各种形状 固体高分子型燃料电池 PHC 采用离子交换膜为电解质 在低于100 的低温下工作 其应用开发主要集中在车辆 小规模的发电及余热利用装置等家庭使用的固定式装置上 开发进度极快 是目前最引人注目的一仰类型 除此以外 还有在宇宙只发中使用的 碱型燃料电池 有希望用作移动电话或笔记本电脑等电源的 直接甲醇型燃料电池 等类型 碱型燃料电池是以氢氧化钾为电解质 在100 以下的低温工作 输出效率较高 但是 由于必须使用不含杂质的纯氢和纯氧 使其应用受到限制 现在研究的也不多 直接甲醇型燃料电池以离子交换膜为电解质 是固体高分子型燃料电池的一种 工作温度大约在150它 燃料电池的构造 燃料电池的最小单位是被称力 电池 ceII 的单体 英文 ceIl 的原意是 小室 或 细胞 在此表示 电池单体 燃料电池也是通过将多层电池单体重叠的方法来获得有实用价值的电池 燃料电池的电池单体