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燃料电池基础 本节主要内容 7 1燃料电池及基本原理7 2燃料电池特征和分类 7 1燃料电池及基本原理 一 燃料电池发电 一种新的发电方式燃料电池发电不同于传统的火力发电 其燃料不经过燃烧 没有复杂的从燃料化学能转化为热能 再转化为机械能 最终转化成电能的过程 而是直接将燃料 天然气 煤制气 石油等 中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应 在生成水的同时进行发电 因此其实质是化学能发电 燃料电池发电被称为是继火力发电 水力发电 原子能发电之后的第4大发电方式 燃料电池与干电池和蓄电池区别 平时所说的干电池与蓄电他 没有反应物质的输入与生成物的排出 所以其寿命有一定限度 而燃料电池可以连续地对其供给反应物 燃料 及不断排出生成物 水等 因而可以连续地输出电力 燃料电池的历史 中国燃料电池研究 二 燃料电池发电原理及电池构成 1 发电原理 在能量水平高的氢与氧结合产生水时 首先氢气放出电子 具有正电荷 同时 氧气从氢气中得到电子 具有负电荷 两者结合成为中性的水 在氢与氧进行化学反应中 发生电子的移动 把电子的移动取出 加到外部连接的负载上面 这种结构即为燃料电池 燃料电池其原理是一种电化学装置 燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器 二 燃料电池发电原理及电池构成 2 燃料电池构成 图 氢气反应的地方为燃料极 燃料极为阳极 氧气反应的地方为空气极 空气极为阴极夹在这两个极中间通过离子传导电力的地方为电解质 电解质是由不透气的通过离子导电的导体组成 燃料极与空气极统称之为电极 由一个燃料极和空气极及电解质 燃料 空气通路所组成的一组电池称为单体电池 多个单体电池的重叠 称为电堆 实用的燃料电他均由电堆组成 7 2燃料电池特征和分类 一 燃料电池特征 1 发电效率高 因不受卡诺循环的限制 可以得到很高的发电效率 其本体的效率即可达到40 50 以上 如果将排出的燃料进行重复利用 再利用其排热 对于中 高温燃料电池 综合效率可达70 80 2 污染极少 是保护环境的绿色能源 3 可以使用天然气 石油 煤炭 乙醇 沼气等等多种多样的燃料 资源广泛 4 由于燃料电池本体没有旋转部分 所以噪声很小 7 2燃料电池特征和分类 一 燃料电池特征 5 属分散电源 用途广泛 6 不需要大量的冷却水 适合于内陆及城市地下应用 对缺水的中国极为有利 二 燃料电池分类 1 按电池所采用的电解质分类 碱性燃料电池 简称AFC 图1 磷酸型燃料电池 简称PAFC 熔触碳酸盐型燃料电池 简称MCFC 固体电解质型燃料电池 简称SOFC 固体高分子型燃料电池 简称PEMFC 图2直接甲醇型燃料电池 简称DMFC 二 燃料电池分类 2 按照电他的工作温度进行分类 低温燃料电池 工作温度低于100 的 包括碱性燃料电池和固体高分子型燃料电池 中温燃料电池 工作温度在100 300 的 包括直接甲醇型燃料电池和磷酸型燃料电池 高温燃料电池 工作温度在600 l000 的 包括熔融碳酸盐型燃料电池和固体电解质型燃料电他 三 燃料电池系统 1 组成 燃料电池发电装置除了燃料电池本体之外 还必须和以下周边装置共同构成一个系统 主要有 燃料重整系统 空气供应系统 直流 交流逆变系统 余热回收系统 控制系统等周边装置 在高温燃料电池中还有剩余气体循环系统 燃料电池发电装置的系统构成图 三 燃料电池系统 2 构成系统的各周边装置的作用如下 1 燃料重整系统 燃料重整系统是将所得到的燃料转化成为燃料电池能够使用的以氢为主成分的燃料的一个转换系统 碳氢化合物的气体燃料 如天然气等 或者液体燃料 石油 甲醇等 用作燃料电池的燃料时 通过水蒸气重整法等 对燃料进行重整 而在使用煤炭时 则通过煤制气的反应 制造出以氢与一氧化碳为主要成分的气体燃料 这些转换的主要反应装置 称之为重整器和煤气化炉 三 燃料电池系统 2 构成系统的各周边装置的作用如下 2 空气供给装置 空气供给装置是对燃料电池供应反应时用的空气的系统 它可以使用马达驱动的送风机或者空气压缩机 也可以使用回收排出余气的透平机或压缩机的加压装置 3 直 交流逆变系统 燃料电池所产生的是直流电 而所需要的往往是交流电 因此要有一个将燃料电池本体所产生的直流电变换成交流电的装置 4 排热回收系统 排热回收系统指回收燃料电池本体发电时所产生的热 电池排气的含热及燃料重整系统的排热等 的系统 三 燃料电池系统 2 构成系统的各周边装置的作用如下 5 控制系统 控制系统是燃料电池发电装置起动 停止 运转 外接负载等的控制装置 由控制运算的计算机以及测量与控制执行机构等组成 6 剩余气体循环系统 在高温燃料电池发电装置中 由于电池排热温度高 因此装设有可以使用燃气轮机与蒸汽轮机剩余气体的循环系统 课堂作业 2005 11 15 1 燃料电池有哪些特征 2 按燃料电池所采用的电解质分类 可分为哪几类 3 燃料电池系统有哪些分系统 燃料电池的历史 1839年 格罗夫发表了世界第1篇有关燃料电他研究的报告 燃料电他的实用化 最早是1960年10月首次将美国通用电气公司研制的质子交换膜燃料电池用于双子星座飞船作为主电源 之后 1968年又在美国阿波罗登月飞船上将碱性燃料屯池作为主电源 为人类首次登上月球做出丁贡献 美国在1967年开始了以民用为目标的研究计划 首先开发磷酸础燃料电池 之后 以美国 日本为中心 进行了磷酸型燃料电池实用化的工作 日本于1981年的 月光计划 中 全面地开展了5类燃料电池的研究 碱性 磷酸型 熔融碳酸盐型 团体电解质型 固体高分子型 而在1993年开始的 新阳光计划 中 燃料电池成为日本政府加速实施的一个重点计划 开始投入大规模研究 中国燃料电池研究 中国也很早就开始了燃料电池的研究 中国科学院大连化学物理研究所于1969年开始进行石棉膜型氢氟燃料电他的研制 至1978年完成了两种型号航天用石棉膜型氢氧燃料电池系统的研制 并通过了例行的地面航天环境模拟试验 20世纪70年代 天津电源研究所也研制成功了石棉膜型动力排水的航天用氢氧燃料电池系统 此外 还有一些高等院校和研究院所也开展了燃料电池的研究试制 在 九五 期间 燃料电池被列人国家重点科技项目攻关计划 燃料电池构成图 安装在柏林的250kWPEMFC燃料电池电站 PAFC电站 燃料电池分类及特性1 燃料电池分类及特性2 磷酸型燃料电池和熔融碳酸盐型燃料电池 2 磷酸型燃料电池 PAFC 它以磷酸水溶液作为电解质 工作温度为150 220 发电效率达40 50 放出的余热可以加热水和蒸汽用于供暖 磷酸型电池的发电能力较小 它可用于建造小型的热电联供系统 现在磷酸型燃料电池制造技术已达实用化水平 3 熔融碳酸盐型燃料电池 MCFC 它以高温下处于熔化状态的碳酸盐 碳酸锂 碳酸钾 作为电解质 工作温度为600 700 发电效率达45 55 不仅可以直接利用余热进行供热 而且排出的高温气体可以带动气轮机 进行第二次发电 它的最大的特点是可以组合成复合发电的电力回收型系统 固体电解质型燃料电池和固体高分子型燃料电池 4 固体电解质型燃料电池 SOFC 它以固体氧化物烧结体 如氧化锆 作为电解质 工作温度为900 1000 发电效率可达50 60 因为电解质是固体的 所以避免了许多麻烦 维修费用也大为降低 固体电解质型燃料电池放出的余热也能加热水或蒸汽 或向其他工序