物理学毕业论文.doc

分类号 分类号 TM911 4U D C D10621 408 2012 1985 0 密密 级 公级 公 开开编编 号 号 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 风能风能 氢燃料电池一体化联用系统设计氢燃料电池一体化联用系统设计 论文作者姓名 论文作者姓名 申请学位专业 申请学位专业 材料物理材料物理 申请学位类别 申请学位类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 职职称称 论文提交日期 论文提交日期 20122012 年年 0606 月月 0101 日日 风能风能 氢燃料电池一体化联用系统设计氢燃料电池一体化联用系统设计 摘摘 要要 风能为可再生的清洁能源 但储能和上网等环节存在不少问题 氢燃料电 池具有绿色环保 效率高 低噪音等特点 还是一种非常好的储能手段 将风 能与氢燃料电池联用 是近年来新能源研究和推广的热点 本文研究了氢燃料 电池和风力发电机的原理 设计出了一套风电 氢燃料电池一体化联用系统 并 配置了电解槽和贮氢装置 使风能和氢燃料电池发挥各自的优势 以达到系统 最大的利用 在研究系统运行参数的基础上 本文还对系统进行了进一步优化 本文所设计的风电 氢燃料电池一体化联用系统具有寿命长 易于维护 运行简 单等特点 本文的研究将促进风能的利用 进一步推动我国的新能源建设 关键词关键词 风能 氢燃料电池 一体化 设计 Integration Design of Wind Energy Hydrogen Fuel Cell Abstract Wind energy is a new renewable energy But there are some problems for energy storage and energy grid Hydrogen fuel cell has the characteristics of environment friendly high efficiency low noise And also is a very good energy storage method In recent years integrating the hydrogen fuel cell and wind turbines is popular in new energy researching and extension field The principle of hydrogen fuel cell and wind turbines have discussed in this article The hydrogen fuel cell and wind turbines have been integrated An electrolyzer and a hydrogen storage system have been added The integrating of wind and hydrogen fuel cell can achieve maximum utilization value The system parameters have been designed for operation The system optimization measures were discussed The designed system has a long life ease maintenance simple operation This study is of significance for the further application of wind energy and the construction of new energy Key words hydrogen fuel cell wind energy design integration 目目 录录 论文总页数 16 页 1 引言 1 1 1 课题背景 1 1 2 本课题研究的意义 1 2 风能 氢燃料电池一体化联用系统设计原理 2 2 1 风力发电机的原理及结构 2 2 1 1 风力发电机的原理 2 2 1 2 风力发电机的结构 2 2 2 电解槽的工作原理 4 2 3 贮氢系统的原理 4 2 4 氢燃料电池的原理 4 2 4 1 燃料电池的种类 4 2 4 2 氢燃料电池原理 5 2 4 3 氢燃料电池特性 6 3 风能 氢燃料电池一体化设计 6 3 1 风力发电机设计 6 3 1 1 风力机的设计 6 3 1 2 风力机参数的设计 7 3 2 电解槽的设计 9 3 3 贮氢系统参数设计 9 3 4 氢燃料电池参数设计 10 4 风能 氢燃料电池系统的优化 12 4 1 温度 12 4 2 压力 12 4 3 利用率 13 4 4 水管理 13 5 应用前景 14 结 论 14 参考文献 14 致 谢 15 声 明 16 第 1 页 共 16 页 1 引言引言 1 1 课题背景课题背景 能源是人类生存和社会发展的物质基础 当今世界随着煤 石油 天然气等 化石燃料日益枯竭 并且伴随着污染 面对人类的可持续发展 从现有常规能源 向清洁 可再生的新能源过渡已提到议事上来 因为新能源是依托高新技术的发 展 开辟持久可再生能源的道路 以满足人类不断的能源需求 并保护地球的洁 净 风能是取之不尽用之不竭的能源 并且无污染 用它发电很有利 与火力发 电 燃油发电 核电相比 风能不需要购买燃料 无需运输费 更不用处理燃料 废渣 1 氢燃料电池与其他电池不同的是 它本质是个发电装置 因此它效率很高 除此外 氢燃料电池因为使用原料是氢 反应产物是水 无污染 并且低噪音 如能好的利用氢燃料电池 那将给人类带来巨大的利润 质子交换膜燃料电池作 为氢燃料电池的一种 由于其使用寿命长 室温工作 启动快等特点而广泛应用 于家庭电源 小汽车 公共汽车等 本文所设计的系统便选用质子交换膜燃料电 池 和风能发电相搭配 1 2 本课题研究的意义本课题研究的意义 燃料电池是一种等温的将贮存在燃料与氧化剂中的化学能直接转变为电能的 化学单元 虽然也称之为电池 但燃料电池无论是原理 结构还是管理方式都与 我们熟知的干电池 充电电池等常规电池有着本质的不同 燃料电池具有非常复 杂的系统 其活性物质是独立于燃料电池本身而存在的 只要供给燃料和氧化剂 就可以像传统的柴油机 汽油机一样连续不断的工作 与普通热发电机存在一定 类似性 而常规电池的容量是有限的 一旦将电池内的活性物质消耗完就不能使 用了 充电电池必须充电后才能使用 显然 燃料电池并不是传统意义上的 电 池 而是一种直接将化学能转变成电能的 化学发电机 2 本文从风能入手 风的产生来自太阳 据计算 地球上的风能约相当于 10800 亿吨煤所具有的能量 这一数值约为目前全世界一年消耗能量的 100 倍 风电场产生的电是最便宜的可再生资源 甚至比新型煤及核电厂的电还便宜 在 过去的几年里风力发电量每年都以约 25 的速度增长 全球装机容量估计到 2015 年会达到 35GW 可以说风能是大自然无私的奉献 现在人们越来越越认识到风能的重要价值 特别是在化石能源日益枯竭 各 国面临的能源危机越来越严重的情况下 并且随着保护环境的呼声越来越大 清 洁能源将会受到更多亲睐 风能作为清洁的可再生能源 将会向人类源源不断的 提供能量 改变人类能源的结构 3 第 2 页 共 16 页 2 风能风能 氢燃料电池一体化联用系统设计原理氢燃料电池一体化联用系统设计原理 风能 氢燃料电池联用系统由风力发电机 电解槽 储氢系统 氢燃料电池 组成 如图 2 1 所示 图 2 1 风能 燃料电池联用系统结构图 2 1 风力发电机的原理及风力发电机的原理及结构结构 2 1 1 风力发电机的原理风力发电机的原理 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械 又称风车 广义地说 它是 一种以太阳为热源 以大气为工作介质的热能利用发动机 风力发电利用的是自 然能源 相对柴油发电要好的多 风力发电可视为备用电源 但是却可以长期利 用 风力发电的原理 是利用风力带动风车叶片旋转 再透过增速机将旋转的速 度提升 来促使发电机发电 依据目前的风车技术 大约是每秒三公尺的微风速 度 便可以开始发电 风力发电正在世界上形成一股热潮 因为风力发电没有燃 料问题 也不会产生辐射或空气污染 风力发电在芬兰 丹麦等国家很流行 我 国也在西部地区大力提倡 小型风力发电系统效率很高 但它不是只由一个发电 机头组成的 而是一个有一定科技含量的小系统 风力发电机 充电器 数字逆变 器 风力发电机由机头 转体 尾翼 叶片组成 每一部分都很重要 各部分功 能为 叶片用来接受风力并通过机头转为电能 尾翼使叶片始终对着来风的方向 从而获得最大的风能 转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能 机 头的转子是永磁体 定子绕组切割磁力线产生电能 风力发电机因风量不稳定 故其输出的是 13 25V 变化的交流电 机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过 齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连 将转矩传递到发电机的传动轴 此联轴 节应按俱有很好的吸收阻尼和震动的特性 表现为吸收适量的径向 轴向和一定 角度的偏移 并且联轴器可阻止机械装置的过载 另一种为直驱型风机桨叶不通 过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型 4 2 1 2 风力发电机的结构风力发电机的结构 1 机舱 机舱包容着风力发电机的关键设备 包括齿轮箱 发电机 维护 人员可以通过风力发电机塔进入机舱 机舱左端是风力发电机转子 即转子叶片 及轴 2 转子叶片 捉获风 并将风力传送到转子轴心 现代 600 千瓦风力发电 机上 每个转子叶片的测量长度大约为 20 米 而且被设计得很像飞机的机翼 风力发 电机 风力 发电 电解槽 储氢系 统 氢燃料 电池 第 3 页 共 16 页 图 2 2 风力发电机结构图 3 轴心 转子轴心附着在风力发电机的低速轴上 4 低速轴 风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起 在现代 600 千瓦风力发电机上 转子转速相当慢 大约为 19 至 30 转每分钟 轴中有用 于液压系统的导管 来激发空气动力闸的运行 5 齿轮箱 齿轮箱左边是低速轴 它可以将高速轴的转速提高至低速轴的 50 倍 6 高速轴及其机械闸 高速轴以 1500 转每分钟运转 并驱动发电机 它装 备有紧急机械闸 用于空气动力闸失效时 或风力发电机被维修时 7 发电机 通常被称为感应电机或异步发电机 在现代风力发电机上 最 大电力输出通常为 500 至 1500 千瓦 8 偏航装置 借助电动机转动机舱 以使转子正对着风 偏航装置由电子 控制器操作 电子控制器可以通过风向标来感觉风向 图 2 2 中显示了风力发电 机偏航装置 通常 在风改变其方向时 风力发电机一次只会偏转几度 9 电子控制器 包含一台不断监控风力发电机状态的计算机 并控制偏航 装置 为防止任何故障 即齿轮箱或发电机的过热 该控制器可以自动停止风 力发电机的转动 并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员 10 液压系统 用于重置风力发电机的空气动力闸 11 冷却元件 包含一个风扇 用于冷却发电机 此外 它包含一个油冷却 元件 用于冷却齿轮箱内的油 一些风力发电机具有水冷发电机 第 4 页 共 16 页 12 塔 风力发电机塔载有机舱及转子 通常高的塔俱有优势 因为离地面 越高 风速越大 现代 600 千瓦风汽轮机的塔高为 40 至 60 米 它可以为管状的 塔 也可以是格子状的塔 管状的塔对于维修人员更为安全 因为他们可以通过 内部的梯子到达塔顶 格状的塔的优点在于它比较便宜 13 风速计及风向标 用于测量风速及风向 5 2 2 电解槽的工作原理电解槽的工作原理 电解水制氢是一种很成熟的传统制氢方法 具有产品纯度高和操作简便的特 点 其生产历史已有 80 多年了 目前国际上利用电解水制氢的产量约占总量的 4 碱性电解槽目前被广泛使用 它由直流电源 电解槽箱体 阴极 阳极 电 解液和隔膜组成 在 70 100 0 5 3MPa 的工作条件下 H2O 在阴极被分解 为和 得到电子形成氢原子 并进一步生成氢气 在两极电场的H OH H OH 作用下穿过隔膜达到阳极 在阳极失去电子 生成 H2O 和 O2 2 3 贮氢系统的原理贮氢系统的原理 由于风能的不稳定性 并不是所有时候都有风 风力发电机在无风时不能发 电 当风力发电机无发电时 电解槽不能工作 便不能为燃料电池提供原料氢 负载于是不能工作 为解决此问题 本方案设计了一个贮氢系统 用于将电解产 生的氢贮存起来 为燃料电池提供稳定的原料 使燃料电池有稳定的输出电压 以供负载使用 2 4 氢燃料电池的原理氢燃料电池的原理 2 4 1 燃料电池燃料电池的种类的种类 燃料电池有多种 每种电池的性能各不相同 适用的场合也不相同 如表 2 1 所示 表 2 1 按电解质划分的燃料电池的类型和特征 电池种类AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC 电解质KOHH3PO4Li2CO3 K2CO3Y2O3 ZrO2PEM 操作温度65 220180 200650500 1000室温 80 寿命 h 1 0 1041 5 1041 5 1047 0 1035 0 103 质量比功率 W kg 35 105100 22030 4015 20300 1 000 燃料氢气 天然气 甲 醇 轻油 天然气 甲醇 汽油 天然气 甲 醇 石油 氢气 质量比功率是单位质量的燃料所产生的功率 质量比功率越高 相同质量的 燃料提供的功率就越高 提供相同功率所需的燃料就越少 表中可以看出质子交换膜燃料电池 PEMFC 的质量比功率最大 效率高 第 5 页 共 16 页 具备接近常温工作及启动迅速的特性 而且洁净无污染 没有电解液腐蚀与溢漏 问题 因此 PEMFC 非常适用于运输动力 便携式电源及家用型发电机 对 PEMFC 的研究具有很大价值 将会改变我们的日常生活 2 4 2 氢燃料电池原理氢燃料电池原理 燃料电池本质是水电解的 逆 装置 主要由 3 部分组成 即阳极 阴极 电解质 其阳极为氢电极 阴极为氧电极 通常 阳极和阴极上都含有一定量的 催化剂 用来加速电极上发生的电化学反应 两极之间是电解质 催化层 质子交换膜 扩散层 负载 2 O 2 O 2 H 2 H 阳极 阴极 H 2 H O 图 2 3 质子交换膜燃料电池结构图 以质子交换膜燃料电池 PEMFC 为例 如图 2 3 其工作原理如下 1 氢气通过管道或导气板到达阳极 2 在阳极催化剂的作用下 1 个氢分子解离为 2 个氢质子 并释放出 2 个电 子 阳极反应为 2 H2H2e 3 在电池的另一端 氧气 或空气 通过管道或导气板到达阴极 在阴极 催化剂的作用下 氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水 阴极反应为 22 1 O2H2eH O 2 总的化学反应为 222 1 HOH O 2 电子在外电路形成直流电 因此 只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢 气和氧气 就可以向外电路的负载连续地输出电能 6 第 6 页 共 16 页 2 4 3 氢燃料电池特性氢燃料电池特性 1 能量转换效率 燃料电池根据电化学原理直接将化学能转换为电能和热 能 不涉及机械能的转换 即不受卡诺循环的限制 理论上的热点联供效率可达 到 90 左右 由于各种极化的限制 现在使用的燃料电池实际电能转换效率在 40 60 之间 与其他形式的发电技术相比 除核能外 平均单位质量燃料所能 产生的电能燃料电池是最高的 2 温度特性 PEMFC 的工作温度范围主要取决于质子交换膜 目前广泛采 用的 Nafion 系列膜的耐受温度是 130 由于 Nafion 膜必须在有水的情况下才 能发挥传导质子的作用 因此 目前 PEMFC 的工作温度一般都不回超过 85 这也影响了 PEMFC 性能的进一步提高 3 压力特性 提高氢氧气体的工作电压无论是从热力学角度还是从电化学 动力学角度考虑都能有效提高电池的性能 在一定的条件下 选取较高的压力有 利于提高 PEMFC 单位面积功率 但是 当压力增加后 电堆密度难度 额外的 压缩功耗以及管路系统的管理难度等都会增加 目前 PEMFC 的工作压力一般都 在几个大气压之内 4 寿命 寿命是 PEMFC 的一项重要指标 影响它的基本因素包括电催化剂 的团聚与流失 质子交换膜的降解 污染以及碳载体 扩散层的腐蚀老化等 要 提高 PEMFC 的寿命 重点在于解决这些关键材料在运行条件下的稳定性与耐久 性 7 3 风能风能 氢燃料电池一体化设计氢燃料电池一体化设计 3 1 风力发电机设计风力发电机设计 3 1 1 风力机的设计风力机的设计 风力机的设计是从螺旋桨 飞机以及直升机的设计发展而来的 中间也涉及 了空气动力学应力分析 改良后的震动程序设计 相应的理论及实验进程也取得 了飞速发展 对于风力机来说 并不需要有重大的科学突破 然而 在不稳定的 空气动力学中 预测负载还是存在一些问题的 这些负载会导致机组疲劳 比设 计的寿命要短 某些时间 风力机的叶片工作在大攻角下 这与飞机的机翼有很 大的不同 有些人得出这样的结论 即可以把扫把当作叶片使用 这样转子也可 以转动 当然 其效率很低 控制也会是个问题 而且强度也不够 大量用于飞 机机翼上的翼型设计发展很快 后期则可用于风力机叶片 风力机的设计涉及领域很多 空气动力学 机械工程 电气工程 电子学 材料及工业工程学 土木工程及气象学等 设计的过程是从一开始的观点迭代到 最后的设计 切记 相比于在改造过程中的花费 在设计阶段解决问题是比较容 第 7 页 共 16 页 易的 3 1 2 风力机参数的设计风力机参数的设计 1 专业术语 一个粒子的动量等于质量与速度的乘积 在二维平面上 要有两个分量才能 确定一个矢量 在三维空间则需要三个分量 在分析时可以用沿用两个轴的分量 来代替一个向量 3 1 m pv 任何颗粒都可以看成是一个质量为 M 的单独质点 它的质量集中在一点上 位置矢量用 r 表示 3 2 1 12 2i i Mmmm Rrrr 作用在粒子上的力使粒子加速 牛顿第二定律描述了物体的运动规律 力使 指经过一段时间改变粒子动量的物理量 另一种表述是 要改变粒子的动量必须 要有力的作用 它可以指粒子运动中速度或方向的改变 如果质量改变也会产生 力 但在本书的论述中 质量都是恒定的 3 3 p F t 力矩会使质子绕某一点转动 可以看成力臂与力的乘积 大力矩可以通过延 长力臂或增加力来得到 3 4 TrF 此处的乘号是指两个向量相乘得到另一个向量 并且新向量的方向与原来两个向 量构成的平面垂直 如果一个粒子附加在棒的末端 棒可以绕其末端自由转动 当有力作用时 力矩会使粒子旋转而产生功率 功率的大小就是力矩乘以角速度的值 在轴上可 以获得功率 考虑到结构组成 大部分功率传递轴功率都有获得大角度的趋势 3 5 P T 同样 旋转物体也会有旋转动能 3 6 222 rot 0 50 5KEmmr v 旋转粒子的速度取决于半径的大小 r v 功率因数是指设备转化的功率与风能中可用能量的比值 由于取消了区域 功率因数 CP 为 3 7 p 3 0 5 C v 输出功率输出功率 输入功率 移动物体所做的功或所需的能量等于力乘以物体在此方向上移动的距离 功 是标量 如果力与运动方向垂直 则该力不做功 典型的例子就是月球绕地球转 第 8 页 共 16 页 动 3 8 fi W FrFrr 两个矢量的点乘表示 仅仅使用了 F 的平行分量 W Fcos r 其中 r 为 最终位置与初始位置的距离 是矢量 F 与 r 之间的夹角 将公式 3 8 两边同时除以时间 t 3 9 W tt Fr 因此功率为 3 10 P F v 2 最大功率 根据动量守恒定律 输入动量 输出动量 质量流 在任何区域都是 mt 恒量 在圆域内 质量流是空气密度 面积和风速的乘积 因此根据在 A 这 3 个域内 3 11 0022 m AAA t vuv 使用公式 3 3 得 3 12 0202 m A t p Tvvu vv T 同样 由于平面上压力差而造成的推力负荷为 3 13 A Tpp 根据贝努利理论 流体压力等于流体速度和压强的乘积 如果速度增加 压 强就会减小 上述两项推论可根据能量和动量守恒定律推出 风速以及平面的上 流 下流压力由下式得出上流 3 14 22 00 0 50 5 puppup 下流 3 15 22 20 0 50 5 puppup 根据这两个等式 将压强差代入等式 3 13 得到 pp 3 16 22 02 0 5 A Tvv 推力相等所以等式 3 12 和等式 3 16 联立得到 3 17 22 02020202 0 5 0 5 AAA u vvvvvvvv 根据公式 3 13 平面风速是平面前后的平均风速 3 18 02 0 5 uvv 轴向干扰因素是根据平面减轻风速的比率来定义的 第 9 页 共 16 页 3 19 0 0 00 1 1 或 vuu uv vv 将其代入到等式 3 18 得到背面风速为 3 20 02 20 0 1 2 2 或 vv vv v 如果平面或转子获取了所有的能量 以及 在这种情况下没有 2 0 v0 5 物理意义 因为所有的质量都集中在转子上 功率等于上流到下流区域的动能变 化量 2222 dssd 0202 0 50 50 5 KEKEKEmm PA tttt vvu vv 将轴向干扰因素的数值代入到公式 则会得到 P A 3 21 22 0 0 54 1 P A v 最大P A可以通过绘制P A与的曲线或通过使用微分得到 当时P A 1 3 最大 最大功率为 3 22 22 0 0 54 1 P A v 最大功率因素 CP 16 27 0 59 8 3 2 电解槽的设计电解槽的设计 单位面积的产氢率与电流密度有关 一般说来 电解槽电压越高 单位体积 氢气的电力成本就越高 目前碱性电解槽主要有单极性电解槽和双极性电解槽 单极性电解槽电极是并联的 电解槽在大电流 低电压下操作 双极性电解槽电 极是串联的 电解槽在高电压 低电流下操作 双极性电解槽结构紧凑 电解液 电阻引起的能量损失小 从而有较高的效率 但是它设计复杂 提高了成本 本 方案使用的是单极性电解槽 3 3 贮氢系统参数贮氢系统参数设计设计 由于风能发电的输入能量极不稳定 所以一般要配备贮氢系统本方案才能正 常工作 贮氢系统的选择要遵循以下原则 首先是在能满足负载正常工作的前提 下 尽量贮存有风时产生的原料氢 同时还要能满足连续几天没有风负载所需的 电能 一般来说贮备原料应满足 3 5 天系统所需能量 贮氢系统的容量必须和 风力发电机 燃料电池相匹配 容量大会提高成本造成资源的浪费 容量小会使 燃料电池不能正常的工作 可用一种简单方法来确定他们之间的关系 风力发电 机的功率必须比负载功率高出 4 倍以上 系统才能正常工作 风力发电机提供的 电压要超过电解槽工作电压 15 20 才能保证电解槽正常工作 贮氢系统的 容量必须比负载日耗高出 5 倍以上 第 10 页 共 16 页 发电容量为 1kW 的燃料电池堆 在 650mV 的工作电压下 且燃料的使用率 为 80 通常燃料电池是以串联的方式堆叠而成 假设此燃料电池堆是以 50 个燃料 电池串联而成的 则燃料电池总的电势差为 通过燃料电池堆32 5V50 0 65V 的电流为 30 8AIP V 由燃料电池的参数设计 3 4 可知 1A 电流的产生需要提供的氢气为 g min 再设贮氢系统的容量要提供 5 天没有风的情况下使用的能量 4 6 267 10 氢气使用量为 2 4 H 6 267 10 g min24h60min 30 8A27 79gm 燃料电池的使用率 80 贮氢系统需保留 20 贮氢系统所需真正的容量为 27 79g80 80 2 22 4L486 42LV 3 4 氢燃料电池氢燃料电池参数设计参数设计 1 温度效应对氢氧燃料电池理想电动势的影响 氢氧燃料电池开路电压的预测必须根据电化学的起始状态的能量改变 也就 是计算燃料与氧化剂发生化学反应时的热力学状态方程式 在已知的温度与压力 下 氢燃料电池反应的最大电位差可以用下列方程式表示 n g E nF 式中 g 为反应前后 Gibbs 自由能的改变量 n 为每摩尔氢气反应时所参与反应 的电子计量系数 F 为法拉第常数 96487C 在 1atm 25 下 燃料电池在 1mol 氢气反应下 Gibbs 自由能改变可以从 反应过程中焓与熵的改变计算而得 ghT s 于是氢燃料电池的理想电压为 n gT sh E nFnF 式中当温度升高时 氢燃料电池的理想电压降低了 2 氢燃料电池工作电压与效率的关系 在标准状态下 氢氧反应的焓变为 可用能为 0 285 83kJ molh 因此 可以求出理想燃料电池在标准状态下以纯氢与纯氧 0 237 18kJ molg 为反应物工作时的理想效率为 0 0 237 18kJ mol 0 83 285 83kJ mol g h 第 11 页 共 16 页 在实际情况下 燃料电池的效率可以用燃料电池的工作电压与理想电压之比 表示 由于电池的极化损失 所以燃料电池在运转时的实际电压低于理想电压 燃料电池的效率可以用实际燃料电池电压表示 cellcell nn 0 83 g 0 83 0 83 EiE hE iE 可用能可用能 氢燃料电池的理想电势可以算出 n 237200J 2 96487J V 1 23VEg nF 因此 燃料电池的效率为 cellcell cell n 0 830 830 675 1 23 EE E E 此时 当燃料电池的工作电压为已知时 将其代入上式中即可决定燃料电池 的效率 由于燃料电池的电池电压随着电流密度减小而增加 因此 低电流密度 下的燃料电池具有较高的效率 为了提高燃料电池的效率可以进行低电流密度设 计 3 氢燃料电池电流产生量与氢气流量的关系 氢氧燃料电池典型的阳极反应方程式为 2 H2H2e 亦即燃料电池阳极上每一个氢分子反应后可以释放出两个电子 此题的重点 在了解安培的定义 1A 电流的定义为在电路中每秒通过 1 库仑的电量 一个电 子带有个电子 因此 1mol 的电子则带有 96487C 电量 此即为法拉 19 1 602 10 第常数 F 因此 燃料电池中产生 1A 的电流所需消耗氢气的体积流量与质量流 量分别计算如下 1A 电流对应的氢气体积消耗为 2 2 H1A 4 2 4 2 2 1g mol H1C1mol e60s 1s96487C2mol e1min g mol H 3 109 10 min g mol H22 4 L 3 109 10 min1g mol H 0 695mL min v 而 1A 电流相对应的氢气质量消耗率为 2 44 2 H1A 2 g mol H2 0158g 3 109 106 267 10 g min min1g mol H m 第 12 页 共 16 页 也就是燃料电池产生 1A 的电流时每分钟必须消耗 6 965mL 的氢气 氢气的 质量流量大约为 0 6267mg min 以上数字为氢氧燃料电池的燃料消耗量与输出功 率的转换因子 作为在已知燃料电池输出功率下计算所需燃料气体的消耗量 9 4 风能风能 氢燃料电池系统的优化氢燃料电池系统的优化 燃料电池系统有很多功能各异的系统和部件 系统的设计和完成是一个非常 复杂的过程 系统的最终设计方案将影响资金成本 运行成本 效率 寄生能量 消耗以及系统的复杂性 可靠性 可行性 寿命和实用性 燃料电池的电流密度 工作电压曲线提示燃料电池系统有很多需要权衡的设 计参数 最根本的问题 然料电池应该在曲线上的哪一点运行 运行点向左移动 时 电压增大 电流密度减小 系统的效率提高 但相同功率时需要更大的电极 面积 这意味着 运行成本降低 资金成本提高 运行点向右移时 得到相反的 结果 燃料电池系统的重要运行参数包括温度 压力 燃料成分和利用率 氧化 剂成分和利用率 必须同时考虑这些参数以达到期望的运行点 4 1 温度温度 燃料电池的开路电压随温度的升高而降低如图 4 1 所示 温度升高使浓差过 电位和欧姆过电位下降 在同一电流密度下工作电压增加 对材料性能的要求也 更高 系统温度提高 尾气热量的可利用性改善 提高温度的另一个好处是催化 剂抵抗 CO 中毒的能力提高 本系统装置权衡了各种参数 得到系统运行的最佳 温度为 50 图 4 1 温度对 PEMFC 性能的影响 4 2 压力压力 燃料电池的增压是众多优化问题中很典型的一个 很多相关因素使是否增压 这一看似简单的问题变得复杂 增压提高了燃料电池系统的性能 但增压是有成 电流密度 mA cm 2 电压 V 50 空气 95 空气 5001000150002000 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 1 0 0 9 0 8 0 1 第 13 页 共 16 页 本的 提高系统运行压力 性能提高 电极面积减小 管道体积减小 热损失减 小 同时寄生载荷增加 压缩机以及相关装置的资金成本提高 增压多少是综合 考虑以上因素的结果 还有其他的因素 使增压问题更加复杂 本系统装置为减 少资金成本 工作压力定为 0 1MPa 图 4 2 压力对 PEMFC 性能的影响 4 3 利用率利用率 燃料和氧化剂的利用率在燃料电池中都存在最优值 人们通常希望利用率高 特别是对于小型燃料电池 因为这样可以使燃料和氧化剂的流量降到最小 燃料 成本 压缩机 涡轮机的载荷型号降到最低 但是 过高的利用率会导致工作电 压的下降 研究表明 低利用率对大型燃料电池系统有利 原因是改善燃料电池 的性能 为后发电循环提供更多可利用的热能 如同其他设计参数一样 反应气 体利用率要视具体情况而定 本系统装置对一定比例的阳极尾气进行循环 这样设计的优点是提高了燃料 的总利用率 同时使每一循环的利用率较低 保证燃料电池的性能 缺点是增加 了系统的设备成本和能量消耗 4 4 水管理水管理 在燃料电池系统中 水常被加入或排除来促使或抑制某个化学反应的发生 过量的水可以提高蒸汽重整和水汽置换反应的转换率 但水量太大需要更大的设 备 甚至降低产率和电池性能 水管理对于保持 PEMFC 的正常运行是很重要的 水分过多 电解质和电极 的空隙将被水充满 阻止反应气体的扩散过程 水分不足 质子交换膜将脱水 离子导电性降低 两种情况都严重影响 PEMFC 的性能 应综合考虑水的产生 蒸发 反应气体的湿度要求等因素 以期达到系统水的平衡 反应气体的湿度也 电流密度 mA cm 2 电压 V 50 空气 95 空气 5001000150002000 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6