燃料电池技术及应用 PPT课件

1 燃料电池技术及应用 引言各种燃料电池的技术燃料电池的应用 2 时至今日 世界经济大体上仍然是化石燃料依赖型的 石油 煤和天然气占世界初级能源消费总量的 左右 剩下的部分主要是水电和核电 真正的可再生清洁能源如风能 太阳能等所占比例不到 世界能源需求仍在以 的年率增长 而地质学家预测说 石油和天然气价格将大幅度上升 再也不会回落 如果到时候还没有找到真正能够取代石油的新能源 必将出现大面积的经济恐慌 许多国家正为此不断付出政治和资金上的代价 例如美国对伊拉克的战争实际上是为了它的石油 导致萨达姆的下台 引言 3 21世纪随着电子产品小型化的进展 当前锂离子电池的能量密度 已经不能满足便携式笔记本电脑 移动电话 PDA等电子设备的要求了 当移动电话增加接收地面数字电视功能 采用大型真彩显示屏时 其供电量可增加到现在的 通常为700mA h 3 4倍 达2A h以上 这一切都对微电子产品的供电系统提出了新的挑战 所以新的能源体系 燃料电池应运而生 4 什么是燃料电池 是一种将燃料的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置 电池工作时需要连续地供给活物质 和其它普通化学电池不一样 和目前所使用的锂离子电池相比 重量只相当于原有锂离子电池一半的燃料电池就可以提供约4倍的电池能量 目前燃料电池技术可以说是各国研究的重点 5 燃料电池的种类 磷酸燃料电池 PAFC 熔融碳酸盐燃料电池 MCFC 质子交换膜燃料电池 PEMFC 固体氧化物燃料电池 SOFC 6 质子交换膜燃料电池 PEMFC 质子交换膜燃料电池 PEMFC 也叫固体聚合物燃料电池 是一种低温燃料电池 由于其电解质是由质子 H 导电聚合物构成而得其名 其单电池由阳极 阴极和质子交换膜组成 阳极为氢燃料发生氧化的场所 阴极为氧化剂还原的场所 两极都含有加速电极电化学反应的催化剂 质子交换膜作为电解质 工作时相当于一直流电源 其阳极即电源负极 阴极为电源正极 7 质子交换膜燃料电池 PEMFC 的工作原理 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 1 氢气通过管道或导气板到达阳极 在阳极发生反应 H2 2H 2e 2 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 1 2O2 2H 2e H2O总的化学反应为 H2 1 2O2 H2O 8 PEMFC的特点及研发应用现状 众多的燃料电池 PEMFC以其工作温度低 启动快 能量密度高 寿命长等优点特别适宜作为便携式电源 机动车电源和中 小型发电系统 PEMFC作为移动式电源的应用 2 PEMFC作为固定式电源的应用 PEMFC除适用于作为交通电源外 也非常适合用于固定式电源 既可与电网系统互联 用于调峰 也可作为独立电源 用作海岛 山区 边远地区 或作为国防 人防 发供电系统电源 一是可用作便携式电源 小型移动电源 车载电源等 适用于军事 通讯 计算机等领域 以满足应急供电和高可靠性 高稳定性供电的需要 二是用作自行车 摩托车 汽车等交通工具的动力电源 以满足环保对车辆排放的要求 从目前发展情况看 PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源 9 PEMFC电池供电系统的优点采用多台PEMFC发电机联网还可构成分散式供电系统 分散式供电系统有很多优点 可省去电网线路及配电调度控制系统 有利于热电联供 由于PEMFC电站无噪声 可就近安装 PEMFC发电所产生的热可进入供热系统 可使燃料总利用率高达80 以上 受战争和自然灾害等影响比较小 尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要 通过天燃气 煤气重整制氢 可利用现有天燃气 煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料 通过再生能源制氢 电解水制氢 太阳能电解制氢 生物制氢 则可形成循环利用系统 这种循环系统特别适用于边远地区 人所 使系统建设成本和运行成本降低 国际上普遍认为 随着燃料电池的推广应用 发展分散型电站将是一个趋势 10 固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池 SolidOxideFuelCell 简称SOFC 属于第三代燃料电池 是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效 环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置 被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池 PEMFC 一样得到广泛普及应用的一种燃料电池 11 固体氧化物燃料电池原理 固体氧化物燃料电池原理 在阳极通入燃料气 具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体 并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面 在阴极一侧持续通入氧气或空气 具有多孔结构的阴极表面吸附氧 由于阴极本身的催化作用 使得O2得到电子变为O2 进入固体氧离子导体 最终到达固体电解质与阳极的界面 与燃料气体发生反应 12 固体氧化物燃料电池优点 可直接使用氢气 烃类 甲烷 等燃料气作燃料 而不必使用贵金属作催化剂 广泛采用陶瓷材料作电解质 阴极和阳极 具有全固态结构 无液体泄漏现象 避免了其它燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题 13 固体氧化物燃料电池优点 负荷响应快 运行质量高有害气体SOx NOx及噪音排放都很低 14 燃料电池十分复杂 涉及化学热力学 电化学 电催化 材料科学 电力系统及自动控制等学科的有关理论 具有发电效率高 环境污染少等优点 总的来说 燃料电池具有以下特点 1 能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能 中间不经过燃烧过程 因而不受卡诺循环的限制 目前燃料电池系统的燃料 电能转换效率在45 60 而火力发电和核电的效率大约在30 40 2 有害气体SOx NOx及噪音排放都很低CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低 无机械振动 3 燃料适用范围广 4 安装地点灵活 燃料电池电站占地面积小 建设周期短 电站功率可根据需要由电池堆组装 十分方便 燃料电池无论作为集中电站还是分布式电 或是作为小区 工厂 大型建筑的独立电站都非常合适 5 负荷响应快 运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率 而且电厂离负荷可以很近 从而改善了地区频燃料电池原理率偏移和电压波动 降低了现有变电设备和电流载波容量 减少了输变线路投资和线路损失等等 小结燃料电池的优点 15 燃料电池电子设备应用 16 美国波音公司及其欧洲合作伙伴打算在今年 利用一架有人驾驶飞机开展只使用固体燃料电池和轻质电池推进的实验性试飞工作 假如试飞取得成功 那么将在世界上首次实现一架有人驾驶飞机仅依靠固体燃料电池维持直线水平飞行 17 质子交换膜燃料电池的一种 直接甲醇燃料电池 世界最小的甲醇燃料电池燃料电池理燃料电池 日本则武公司的产品在改进后 达到了160mW cm2的高功率密度 性能约为原来的1 5倍 据分析 之所以能达到如此高的性能 主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料 从而大大减少了甲醇透过电解质膜的 甲醇渗透 现象 并提高了电解质膜的形状稳定性 则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发 由于DMFC具有无需燃料改质器 可在低温下工作等优点 18 这种燃料电池以甲醇为能量来源 这种燃料电池以甲醇为能量来源 手机 笔记本电脑将不再用充电 19 哇 怕怕 是炸弹吗 NO 别怕 这是三星军用甲醇燃料电池 这款燃料电池主要用于军事用途 它可以连续为军用电子设备提供长达72小时的供电 该燃料电池重量为7 7磅 约合3 5公斤 额定供电能力为1800瓦特小时 Watt hours 20 燃料电池电子设备 东芝近年来 在各种展会上都会展出其设计研发的笔记本燃料电池 新型燃料电池采用甲醇作为燃料 通过化学反映产生电能 与采用锂电池的东芝公司自己生产的笔记本电脑相比 50CC的甲醇可以连续使用5小时 超过锂电池两倍以上 燃料电池的另一个好处时只需填充燃料 而不必像锂电池那样再次充燃料电池中的甲醇依靠含二氧化碳的氧气的化学反映产生电能 排出物就是水 属于无公害能源 东芝的燃料电池采用甲醇与氧气直接产生化学反映的 直接反映甲醇 21 东芝展示的燃料电池供电的笔记本样机 22 23 燃料电池电子设备 日立终于在近期开发出如AA电池一般大小的燃料电池内藏50立方厘米的甲醇 能让普通的PDA产品坚持使用6 8个小时 而据说日立正在开发能让甲醇浓缩的技术 到时候电池将会有更长的使用时间 24 燃料电池在汽车上应用 25 布什 美国要戒 石油瘾 在加州力推氢能源汽车 美国总统布什曾在加利福尼亚州首府发表讲话 呼吁国人改变习惯 尽快从传统的汽车转换到更清洁的氢能源汽车 布什在当天在参观 加州燃料电池伙伴计划 时他说 如今原油价格飞涨 迫使消费者为汽油付出高价 损害了美国经济竞争力 加重了环境污染 也使美国更严重地依赖外国石油资源供应 因此美国必须改变 对石油上瘾 的现状 从 年开始 美国政府拨款十几亿美元资助氢燃料电池的研究 26 本田的氢动力车FCX 本田的 氢动力车已经在美国加利福尼亚州获准上市 27 燃料电池在汽车上应用 上海神力科技有限公司120KW第三代燃料电池大巴发动机和车上海神力科技有限公司承担了国家863计划 燃料电池发动机 项目 28 神力公司燃料电池车 神力公司燃料电池发动机所采用的技术路线 不同于国际知名的大公司如加拿大巴拉德公司 BallardPowerSystems 美国通用汽车公司 GM 等的高压运行技术 自主开发了常压运行的燃料电池技术 系统更为简单 安全性 可靠性高 且拥有自主知识产权 已申请中国 美国专利102项 29 自2002年起 神力公司为清华大学的燃料电池大巴研制了三代 第一代50kw 第二代60kw 第三代100kw 发动机 净输出功率100KW最大稳定输出功率120KW峰值输出功率150KW电压 300 480V 可以根据用户要求调整 电流 0 400A能量转化效率45 52 燃料存储方式高压铝内胆 碳纤维缠绕环氧树脂浸渍的储氢罐燃料类型气态氢操作环境温度0 50 相对湿度0 95 工作温度60 80 工作压力常压物理特性长宽高1040mm 680mm 690mm 2重量560kg 不包括驱动电机 噪声76dB 120KW第三代燃料电池大巴发动机 30 燃料电池的出现与发展 将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命 并且还会波及到汽车业 住