新兴燃料电池在不同领域的应用

新兴燃料电池的在不同领域的应用新兴燃料电池的在不同领域的应用 燃料电池已在我们的生活中处处中得到广泛的应用 技术的革新正悄无声息的改变着我们的生 活 使环境向更好的方向发展 也是确保了我们有个健康却也更高效的未来 本文主要介绍了从两 方面介绍了燃料电池的使用 氢燃料电池在汽车中的应用以及 MCFC 熔融碳酸盐型燃料电池在发电中 的应用 氢燃料电池在汽车中的应用氢燃料电池在汽车中的应用 氢燃料电池车的工作原理是 将氢气送到燃料电池的阳极板 负极 经过催化剂 铂 的作用 氢原子中的一个电子被分离出来 失去电子的氢离子 质子 穿过质子交换膜 到达燃料电池阴极板 正极 而电子是不能通过质子交换膜的 这个电子 只能经外部电路 到达燃料电池阴极板 从 而在外电路中产 生电流 电子到达阴极板后 与氧原子和氢离子重新结合为水 由于供应给阴极板 的氧 可以从空气中获得 因此只要不断地给阳极板供应氢 给阴极板供应空气 并及时把水 蒸 气 带走 就可以不断地提供电能 燃料电池发出的电 经逆变器 控制器等装置 给电动机供电 再经传动系统 驱动桥等带动车轮转动 就可使 车辆在路上行驶 与传统汽车相比 燃料电池车能 量转化效率高达 60 80 为内燃机的 2 3 倍 燃料电池的燃料是氢和氧 生成物是水 它本身工 作不产生 一氧化碳和二氧化碳 也没有硫和微粒排出 因此 氢燃料电池汽车是真正意义上的零排 放 零污染汽车 氢燃料是完美的汽车能源 1 从长远来看 汽车产业肯定要走一条可持续发展的道路 石油 天然气 煤炭等资源不可 再生 终究会有枯竭的一天 人类最终必然要利用可再生 能源或者替代能源 而氢的最大来源是水 特别是海水 根据计算 9 吨水可以生产出 1 吨氢 及 8 吨氧 氢气燃烧热值是 28900 千卡 公斤 而且氢与氧的燃 烧产物就是水 因而 水可以再生 由此可见 以水为原料制氢 可使氢的制取和 利用实现良性循环 取之不尽 用之不竭 氢作为汽车代用燃料具有良好的行进加 速性 燃料适应 性 低温起动性好 超低排放 全工况高效率等优点 2 氢的来源极为丰富 技术上也非常简单 水电解制氢 生物质气化制氢等制氢方法已形成 规模 其中低价电电解水制氢方法在今后仍 将是氢能规模制备的主要方法 另外 用氢代替煤和石 油 不需对现有的技术装备作重大的改造 现在的内燃机稍加改装即可使用 这可以降低氢能应用 成本 3 氢燃烧的产物是水 不会污染环境 真正实现了零污染的目标 传统燃油汽车在运行过程中会产生大量的有害气体 不但污染环境 还影响人类健康 污染物 主要包括 1 碳氢化合物 HC 汽车尾气的碳氢化合物中含苯 甲苯和二甲苯等有害物质 其中以苯 的危害最大 它是一种致癌物质 2 氮氧化合物 NOx 这是一种强烈的腐蚀剂 对人的呼吸系统有刺激作用 会引起气管炎 肺炎等 削弱血液输氧功能 3 一氧化碳 CO 它是一种无色 无臭的有毒气体 通过呼吸道进入人体后 会造成人体内部 缺氧 危害中枢神经系统 轻则头晕 头痛 四肢无力 视力受损 重则中毒死亡 4 二氧化硫 SO2 这是一种无色无味的气体 能损害人的肝 肾和心脏 对呼吸系统有强烈 的刺激作用 此外 二氧化硫还是导致酸雨的重要原因 给国民经济带来重大损失 5 臭氧 O3 臭氧对人体的器官和肺部均有损害作用 对心脏 肝等器官也有不良影响 此 外 燃油汽车的尾气中还含有产生温室效应的 CO2 导致酸雨的氮氧化合物和硫化物等 氢燃料电池汽车以氢为燃料 蓄电池的电能为动力 排放物中无污染物 表 1 比较了燃油汽车 和氢燃料电池汽车的废气 主要成分 排放 代表车型 通用 Sequel 氢燃料电池车与氢内燃机动力技术类似 氢燃料电池动力技术也是以氢 为能量源 不同的是氢内燃机动力技术是将氢直接作 为燃料在发动机中燃烧以获得动力 而氢燃料 电池则是将氢在燃料电池中经化学作用转化为电能 然后靠电动机来驱动汽车 在此领域 通用是 当之无愧的领导者 其代表作就是通用 Sequel 氢燃料电池车 虽然早在 2005 年的上海车展就登场亮相 但是通用 Sequel 氢燃料电池车却一直以来被认为是 燃料电池车领域的经典之作 因为与之前的燃料电 池车相比 通用 Sequel 氢燃料电池车在可驾驶 性方面取得了突破性的进步 其动力表现与驾驶性都堪与目前使用汽油燃料的汽车产品媲美 通用 Sequel 氢燃料电池车通过采用线传操控技术 不仅提高了车辆安全性 简化了维护程序 拓展了设计自由度 而且也更环保 其几乎所有的驱 动和控制组件都安装在 28 厘米厚的底盘结构 上 几乎每个方面的性能表现都比现有的传统汽车更胜一筹 更迅速 更平稳 更便于操控 便 于生产 更美观也更 安全 最重要的是 它只排放水蒸气 完全没有污染 虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势 但是它还处于发展的初级阶段 限制其发展的 主要因素有 1 生产成本高 目前 氢的来源一般是天然气和沼气 此外 可以通过电解水将氢和氧分离 而提取氢 而电能则可以通过煤或核反应堆发电来产生 由于氢的提取需要消耗其他能源 因此 如果使用煤 天然气 沼气等碳氢燃料来提取氢 则会排出导致温室效应的气体 采用风力和太阳 能可以解决这一问题 但 这种开发方式费用太高 从而导致氢燃料电池汽车的成本增加 此外 一 些辅助设施如氢燃料加注站的建设也要费些时日 2 能量密度小且储运不便 氢燃料储存困难 有泄漏和气化的问题 包括爆燃 回火 早燃 等问题有待解决 综上所述 氢燃料虽然污染低 但是储存困难 有泄漏和气化的问题 包括爆燃 回火 早燃 等问题有待解决 氢气的生产方法有多种 但只有在解决了其成本 储存等问题以后才有可能批量 使用 目前我国对储氢材料的研究比较活跃 研究内容涉及到了高压储氢 碳纳米管储氢 新型合金储氢 有机化合物储氢 碳凝胶储氢 玻璃微球储氢 氢浆 储氢 层状化合物储氢等当前国际氢储存技术 研发的主要方面 并在金属氢化物储氢 碳纳米管储氢 复杂化合物储氢等方面具有优势 今后应 进一步重点发展 新 颖金属合金储氢 碳纳米管储氢 高压液态储氢 有机化合物储氢 车载储氢 系统等技术 探索层状化合物储氢 笼形水合物储氢等技术 发展氢经济的一个重要方面是发展氢能交通运输体系和氢能基础设施建设 在氢燃料电池方面 我 国可重点发展 大功率质子交换膜燃料电池技术 中低 温固体氧化物燃料电池技术 基于燃料电池 的系统集成技术 质子交换膜技术 电催化剂技术 先进的膜电极组件技术 无铂催化剂技术等 同时积极探索生物燃料 电池 再生式燃料电池技术 冷启动 Cokd Start 技术等研发 由于氢能和燃料电池具有诸多优点和分散供能的特征 因而加强以氢能和燃料电池为核心的分 布式能源系统研究已成为今后国际研发的重点 当前这种以 氢能和燃料电池为核心的分布式能源系 统的发展趋势是与可再生能源利用相结合 以氢为载体 以燃料电池为能源转化工具 加强对可再 生能源的开发 虽然氢能本身是一种绿色的能源 但在用化石燃料制氢过程中 如果封存技术不当 仍会有 CO2 泄漏到大气中造成温室气体增加 氢在生产 储存 运 输以及氢燃料电池使用过程中都不可避 免地存在氢气泄漏问题 当泄漏到周围环境中的氢气达到一定浓度 遇到明火可能会发生强烈化学 反应甚至爆炸 造成人员和 财产损失 此外 泄漏到大气圈中的氢气会与大气中的臭氧反应 破坏 对人类起保护作用的臭氧层 因此 应加强与氢安全相关的氢检测传感器技术 潜在事故情景 处理 技术等研究 按照市场经济的运行规律 氢能和燃料电池技术只有在技术成熟 具价格竞争力的情况下才能 占领市场 取代传统的化石燃料和一些利用效率相对较低的 能源转化方式 企业有效参与才有可能 开发出具价格竞争优势的氢能制备 储存 运输和应用技术 同时这也是决定氢能最终替代传统化 石能源的关键 要促进氢能的社会化利用 需要向公众宣传氢能的优点和使用安全性 促进公众对氢能的了解 和利用 同时 国家应出台更有效的激励政策 比如 国家应对氢能利用予以政府补贴 这样才能 有效促进氢能的研发和系统应用 MCFC 熔融碳酸盐型燃料电池在发电中的应用 熔融碳酸盐型燃料电池在发电中的应用 按一般电池的表示方法 燃料电池可表示为 Re 电解质 Ox 式中 Re 表示氢 肼 烃 CO 等活 性还原剂 Ox 表示氧 过氧化氢等氧化剂 电解质为用氢氧化钾溶液 浓磷酸溶液 离子交换膜 熔融碳酸盐等 由于燃料电池的基本性能对电站设计起重要作用 故首先对其进行必要的讨论 电池有两大基 本性能参数 1 发电能量 2 开路电压 现分别分析如下 1 最大发电能量 根据化学热力学知 对以可逆定温反应的燃料电池 设 和 稳定流入系统 而 从系统稳定流出 忽略动能和位能变化 则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为 最大可发出 237146kJ 的 电能 2 开路电压 一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差 单个燃料电池电压很低 实际生 产中要采用多个电池串连的电堆 Stack 的方式 2 提高反 应温度 T 和反应气体压力可提高输出 电压 从而提高电池性能 这对后面的设计有重要的指导作用 下面讨论燃料电池的效率问题 燃 料电池的理想效率就是燃料电 池在保持电动势 E 值的情况下做功 即以无限小的电流做功的理想值 据前面的叙述 其最大值为 当 T 427 时 0 852 可见 温度的提高可使变大 燃料电池工作时由 于内电阻和极化等原因 一部分能量转化为热能而耗散掉 使实际电压 V 小于理论值 E 定义电压 效率 则燃料电池的实际热效率 同时燃料电池发电系统的效率还包括燃料处理装置和逆变器的效率 和余热利用 其中底循环 Bottoming Cycle 为余热或未反应的尾气供燃气轮机和蒸汽轮机发电 供热是将 余热用于采暖 实现热电联产 由此可见 充分利用底循环可有效提高总体效率 这也是后面改进 的一大方向 目前我国的电力供应以煤为主要燃料 效率低 污染大 为了改变现状 迫切需要发展新型绿 色能源 而燃料电池大家族中的一员 MCFC 熔融碳酸盐型燃料电池无疑是最佳选择 可见要提高 开路电压 必须提高和之入口分压及反应温度 同时电池本体效率 非总体效率 如认为每消耗 1mol 释放 1 930 电量 则 T 1000K 时则可见燃料电池效率与单体电压 E 成正比 E 变大则变大 可 见 只有提高反应温度和压力 才可使 E 提高 从而效率也提高 综上所述 提高压力和温度是提高发电性能和效率的主要手段 MCFC 的高效率也正是因为其 1000K 的反应温度和 3atm 以上的工作压力 可是 为了维持 如此的燃料气进口压力和温度 需要 压气机做功 并且预支大量的热量 这些能量从何而来最经济反应后的高温高压尾气含有大量热值 很高的氢气 该如何利用煤气 化是当前方兴未艾的新技术 如何把它用于 MCFC 发电厂 查证众多资料后 对 MCFC 电厂有初步了解 结合 MCFC 发电厂让我们来仔细分析一下电池的具 体效用 设想的燃料电池发电厂基本发电过程如下 首先将煤与 593 5atm 的水蒸汽在高温下反应 生 成 900 的汽 再经过换热器后脱硫 除去 防止催化剂中 毒 最后温度降为进入燃料电池阳极 反 应后之剩余气体中含和未反应的 经过分离器 B 后分为两路 分离的水蒸汽凝结成的水后经换热器 温度升为 重新进入燃 料转换器与 C 反应 分离之可用于燃气 蒸汽联合循环的空气经压气机压 力上升 后经换热器 温度升为进入阴极反应 并将反应中电池内阻产生的热带出 反应 后之气体 进入透平做功 做的功一部分推动压气机给电池阴极提供高压空气 一部分驱动发电机发电 从阳 极排出的尾气因含有大量未反应的氢气故首先经分离器分 离为 76 度的水和富氢气体 水用于煤气 化 充分节约了发电用水 而氢气则用于燃气 蒸汽联合循环 这套装置有以下几大特点 1 利用煤气化的热量 在燃料转换器中之反应 装置中将该热量 通过换热器加热水蒸气 避免了额外支出能量 2 利用反应后阴极的 剩余尾气带出反应中电池产 生的欧姆热 推动透平做功 发电的同时带动压气机为阴极提供高压燃气 3 把未反应完的富氢阳 极尾气分离出水后送至燃气蒸气联合 循环系统发电 4 部分最终的尾气可用于厂区的空气调节 5 由于技术限制 在 C 中对煤气进行脱硫处理时 温度不可太高 故利用换热器 E1 E2 对进出脱 硫装置的气体进行降温升温处理 充分节约了能量 当使用透平作为联合循环后 燃料电池发电系统总效率有明显提高 整个电站向外输电功率为 827 4400 5227kW 为 5 2 兆瓦级电站 为了全面地将 设想的燃料电池发电厂和普通火力发电厂进 行效率比较 需考虑煤气化的效率 考虑透平 锅炉和发电机的实际效率后 普通电厂的发电耗煤 率平均约为 320g kWh 总效率约为 40 无论效率还是耗煤量 MCFC 电厂都远远优于普通火力电厂 消耗单位质量标准煤 MCFC 电厂发电量是普通火力电站的 320 130 2 46 倍 燃料电池大规模发电的 优越性可见一斑 再从经济角度分析该套装置的可行性 燃料电池联合循环的经济性分析以装置的单位发电成本 价格为标准 装置的年总投资费用为 PE PE CAP M OM M FH 式中 CAP 装置总资本的年消耗额 M 燃料的年消耗 C 装置总资本 F 燃料能量的消耗率 OM 装置运行和维护的 年费用 燃料单位能 量的价格 H 装置的年运行小时数 可得出单位发电价格 式中 W