《新能源发电技术》课件-8.燃料电池技术

《新能源发电技术》

第八章燃料电池技术何为“燃料电池”燃料电池是一种将化学能（如氢能）直接转化为电能的发电装置燃料电池发电方式与火力发电、磁流体发电技术相比，具有效率高、无污染、建设周期短及易维护等优点属环境友好型发电方式，将成为未来移动电源、能源利用、航空动力的主要方式2/443/41新能源汽车3/44家用燃料电池4/44燃料电池的工作原理及输出性能8.1燃料电池的技术分类8.2燃料电池发电系统8.3燃料电池联合循环发电8.4第一节燃料电池的工作原理及输出性能燃料电池的发展历史8.1.1燃料电池的工作原理8.1.2燃料电池的基本结构8.1.3燃料电池的输出性能8.1.4燃料电池的工作特性8.1.58.1.1燃料电池的发展历史hy(氢气管)反应：4H++4e-→2H2ox(氧气管)反应:2H2O-4e-→4H++O2上图中的实验装置分为上下两部分，上部为电解水装置，下部就是燃料电池。英国的格罗夫教授在电解水实验过程中，发现吸附H2和O2的Pt电极能够释放出电能，进而提出了燃料电池概念。hy(氢气管)反应：2H2→4H++4e-ox(氧气管)反应：O2+4H++4e-→2H2O8/448.1.1燃料电池的发展历史——初期发展缓慢的原因内燃机技术的迅速发展19世纪的科技不够发达，阻碍了燃料电池的发展燃料电池所需铂电极无法大量生产缺少氢气来源电堆的生产工艺达不到相应的水平廉价的化石能源被大规模使用9/448.1.1燃料电池的发展历史——转折1932年，剑桥大学的培根博士开发了第一个碱性燃料电池，该装置采用较为廉价的镍取代铂电极。使用不易腐蚀电极的碱性电解质--氢氧化钾作为电解质，从而取代了传统的硫酸电解质。1959年，制造出能够持续工作的燃料电池，其发电功率为5kW，用于给焊接机供电。阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-

10/448.1.1燃料电池的发展历史——转折20世纪60年代，NASA寻找适合作为宇宙飞船的动力源，在对各种动力源进行分析比较后，最终选定燃料电池作为动力源。其原因为：普通化学电池过于笨重太阳能不能持续的为宇宙飞船供电核能具有一定的危险性燃料电池能够满足1～10kW的功率要求产物水还能作为饮用水11/448.1.1燃料电池的发展历史——转折12/448.1.1燃料电池的发展历史——近代发展1973年发生的石油危机，使世界各国普遍认识到新能源的重要性，纷纷开始探索广泛应用燃料电池的可行性，并致力于解决其商业化过程中面临的困难与障碍。13/448.1.1燃料电池的发展历史——近代发展20世纪70年代，燃料电池的研发主要集中在开发新材料、寻找稳定的燃料来源以及降低成本上。21世纪后，有许多公共场所已经安装了燃料电池发电系统，各类使用燃料电池的新能源汽车也相继问世，甚至建立了燃料电池发电站。燃料电池发电站燃料电池汽车14/44燃料电池的发展历史8.1.1燃料电池的工作原理8.1.2燃料电池的基本结构8.1.3燃料电池的输出性能8.1.4燃料电池的工作特性8.1.58.1.2燃料电池的工作原理燃料电池与传统热机的相同点燃料电池与传统热机的区别燃料电池传统热机-柴油机化学能热能机械能电能两者都是能量转换器，而非能量储存器16/448.1.2燃料电池的工作原理---发电过程流场板多孔电极反应物的输入为了确保燃料电池能够持续发电，必须为其连续不断地提供燃料和氧化剂。

利用流场板结合多孔电极结构，可以有效实现反应物的高效传输。17/448.1.2燃料电池的工作原理---发电过程电化学反应的发生阳极反应：2H2→4H++4e-阴极反应：O2+4H++4e-→2H2O注：该反应为放热反应，在产生电能的同时，还会释放热能。18/44阴极和阳极反应达到平衡后，会在各自电极形成电势差。为获得较大的电流，通常会用催化剂来提高反应速率。8.1.2燃料电池的工作原理---发电过程电子与离子的传导电子的传导：导电路径离子的传导：电解质19/44电解质材料只能允许离子通过，即为离子提供扩散路径。为了降低电池内阻，电解质层还应尽可能薄。8.1.2燃料电池的工作原理---发电过程剩余反应物及反应产物的排放：未参与反应的氢气：沿着阳极流道从出口离开燃料电池未参与反应的氧气及反应产物：沿着阴极流道从出口排出反应热：通过外部冷却系统进行冷却降温反应产物的排放产物排出不及时的危害：影响反应物与电极、催化剂的接触，降低电池效率20/44燃料电池的发展历史8.1.1燃料电池的工作原理8.1.2燃料电池的基本结构8.1.3燃料电池的输出性能8.1.4燃料电池的工作特性8.1.58.1.3燃料电池的基本结构---①电极定义：燃料发生氧化反应以及氧化剂发生还原反应的场所电极性能好坏的关键：电极的材料、催化剂的性能、电极制作工艺等催化剂：提高电极反应的速度多孔电极：增加反应物与催化剂的接触面积，可以提高反应速率22/448.1.3燃料电池的基本结构---②电解质作用：固态电解质：具有离子导电能力的材料制成的无孔膜液态电解质：吸附在多孔基体隔膜内的液态电解质电解质的类别：质子交换膜23/44提供离子扩散通道，并隔离阴阳极间的反应物8.1.3燃料电池的基本结构---②电解质多孔电极材料三相界面24/44电解质内部离子扩散示意图8.1.3燃料电池的基本结构---③双极板作用：双极板是燃料电池所特有的，它起到连接单体电池、收集电流、分配气体和热量管理等作用。分类：石墨板、金属板与复合材料板石墨板：导电性及耐腐蚀性好，但制作工艺复杂、较厚金属板：较薄、加工简单，但不耐腐蚀复合材料板：适合大量生产，但内阻较大、机械强度不足25/44双极板8.1.3燃料电池的基本结构---④电堆为了提高燃料电池的输出电流及电压以满足实际需求，常采用以下措施：将单体电池通过串联、并联组成电池堆：提高输出电压：多个单体电池串联形成电池堆提高输出电流：增加单体电池的截面积电池堆往往包括数十甚至上百个单体电池单体电池电池堆26/44电堆结构示意图8.1.3燃料电池的基本结构---④电堆27/44燃料电池的发展历史8.1.1燃料电池的工作原理8.1.2燃料电池的基本结构8.1.3燃料电池的输出性能8.1.4燃料电池的工作特性8.1.58.1.4燃料电池的输出性能---电动势燃料电池电动势与电池反应的吉布斯自由能的变化有关。①△G=△H-T△S△G：反应吉布斯自由能变（kJ/mol)△H：反应焓变（kJ/mol）T：温度（K）△S：反应熵变（kJ/(mol·k))吉布斯自由能的变化可定量表示等温、等压条件下，系统对外输出非体积功的能力：②△G=-WrWr：非体积功（kJ/mol)对于燃料电池而言，对外所做的非体积功为电能（大小与电流和电压有关），由此可得：Wr=nFEn：单个反应中转移电子数F：法拉第常数（F=96485C/mol)E：电池的理论电动势（V)29/448.1.4燃料电池的输出性能---电动势对于化学发应aA+bB→cC+dD，其任意状态下的吉布斯自由能变与标准吉布斯自由能变的关系为：R：气体常数（R=8.314J/(mol∙K)）α是物质X的活度，若物质X为溶质，则α表示X在溶液中的相对浓度；若其为气体，则表示X的相对分压△G0为标准吉布斯自由能变（kJ/mol):E0是电池在标准状态下的理论电动势30/448.1.4燃料电池的输出性能——电动势通过上述推导可得能斯特方程，即理论电动势E为：对于氢氧燃料电池能斯特方程为：其中，Eact

：活化损失；Eohm：欧姆损失；Econc：浓度损失。

实际电池的工作电压会小于理论值，其工作电压V可表示为：能斯特方程31/448.1.4燃料电池的输出性能---能量转换效率

燃料电池的实际效率为：32/448.1.4燃料电池的输出性能---能量转换效率

电流效率：燃料的利用率一般在100%以下理想效率：燃料电池以E做功得到电能，是燃料电池的理想功率电压效率：当电池工作获得电流上时，由于电池内部存在电阻，燃料电池的工作电压V比E低，其差值称为过电

33/44i：燃料电池的实际工作电流，单位是安培AI：燃料电池的理论电流大小，单位是安培A8.1.4燃料电池的输出性能---能量转换效率②理想状态下，燃料电池的转换效率：

①实际输出电流i也小于理论电流I，由此可以定义电流效率：

接下来，定义三个与效率相关的参数：③实际工作电压V不等于理论电压E，因而可以定义电压效率：34/44整理得到，燃料电池的实际能量转换效率为：

8.1.4燃料电池的输出性能---能量转换效率燃料电池效率图示（数字只代表上一过程中比例）燃料的化学能1

没有反应参加反应电热电压损失做功

35/44燃料电池的发展历史8.1.1燃料电池的工作原理8.1.2燃料电池的基本结构8.1.3燃料电池的输出性能8.1.4燃料电池的工作特性8.1.58.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的优势：能量转换效率高燃料电池可直接将化学能转化成电能，发电效率在40﹪～60﹪之间，若是加以综合利用，总效率可达80﹪环境友好氢燃料可以通过可再生能源或化工过程副气得到，其工作过程中的排放产物为水或水蒸气，清洁、无污染37/448.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的优势：噪音低传统热机系统必须含有转动部件，运行时噪声非常大；燃料电池结构简单而且没有转动设备，工作环境噪声低模块化程度高发电效率与规模无关，适合不同功率要求用途广泛在各个领域，如在航天、家庭、移动电源都有不错的应用前景38/448.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的不足之处：成本高燃料电池一般采用稀有金属作为催化剂氢燃料无法高效、低成本的获取

对辅助设备要求高多数为氢燃料电池，需要将其他燃料转化为H2才能利用催化剂对环境敏感（如Pt催化剂遇CO会中毒失活）密封要求高电池连接时必须严格密封，以防H2泄露，给制造、维护带来不少困难39/44思考题什么是燃料电池？它的优缺点是什么？阐述燃料电池与一般传统电池之间、燃料电池与热机之间的差别。请写出氢氧燃料电池的阴阳极及总反应方程式。阐述氢氧燃料电池的工作过程。简述燃料电池电极、催化剂和电解质的主要功能。确定在温度(T=25℃)及压强(P=1atm)条件下，下面燃料电池反应的理论电动势：已知条件：燃料为纯氢气，氧化剂为空气，空气中氧的摩尔分数为0.21，已知标准状态下氢氧燃料电池的吉布斯自由能变ΔG=-237.3kJ/mol，法拉第常数F=96485C/mol，气体常数R=8.314J/(mol∙K)。40/44第二节燃料电池的技术分类燃料电池的技术分类---汇总表碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池简写AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质氢氧化钾溶液磷酸溶液熔融碳酸锂/碳酸钾氧化锆系固态高分子聚合物燃料H2天然气、甲醇、液化石油气煤气、天然气天然气、煤气H2氧化剂O2空气空气空气空气工作温度/℃60-120180-220600-700600-100060-120按温度区间分类低温型中温型高温型高温型低温型42/66碱性燃料电池8.2.1磷酸型燃料电池8.2.2熔融碳酸盐燃料电池8.2.3固体氧化物燃料电池8.2.4质子交换膜燃料电池8.2.58.2.1碱性燃料电池——工作原理氢气在阳极与氢氧根离子发生反应生成水和电子电子通过外电路到达阴极，与氧气、水生成氢氧根离子，生成的氢氧根离子通过电解质回到阳极在AFC中，在电解质内部传输的导电离子为OH-

氢气在阳极发生氧化反应，而氧气在阴极发生还原反应阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-电池总反应：H2＋

1/2O2

→

H2O44/668.2.1碱性燃料电池——关键组件碱性燃料电池的催化剂选择范围广泛，既包括铂、钯、金、银等贵金属，也涵盖镍、钴、锰等过渡金属。此外，由贵金属和过渡金属组成的合金，如铂-钯、铂-金、铂-镍、铂-镍-钴以及镍-锰等，同样可用作碱性燃料电池的催化剂。石墨和镍均表现出良好的化学稳定性，在碱性介质中不易腐蚀，且成本相对较低，适合作为AFC的双极板材料。然而，这两种材料各有其不足之处。石墨板因其脆性较大，厚度通常需要超过3毫米。相比之下，镍板虽然在化学稳定性方面表现优异，但其较高的密度会导致AFC电池堆的质量比功率下降。45/668.2.1碱性燃料电池——工作特性VS优点

缺点

碱性燃料电池可以采用非铂催化剂，例如硼化镍。这不仅能够降低成本，还能摆脱对铂资源的依赖。碱性燃料电池的结构可以采用石墨和非贵金属等较为经济的材料。1)在使用空气作为氧化剂时，必须脱除其中所含的二氧化碳。2)当以各种碳氢化合物的重整气作为燃料气体时，必须脱除其中的二氧化碳。3)必须及时排除电化学反应过程中的生成产物，增加了成本。46/66碱性燃料电池8.2.1磷酸型燃料电池8.2.2熔融碳酸盐燃料电池8.2.3固体氧化物燃料电池8.2.4质子交换膜燃料电池8.2.58.2.2磷酸型燃料电池——工作原理磷酸燃料电池是以磷酸作为电解质，以氢气作为燃料，以氧气为氧化剂；在阳极侧，氢气在电极表面释放电子生成氢离子，随后氢离子通过电解质，在浓度梯度的驱动下扩散至阴极；在阴极侧，从电解质迁移过来的氢离子与从外电路流入的电子以及外部供给的氧气反应生成水。阳极：

H2→2H++2e-

阴极：

1/2O2+2e-+2H+→H2O

电池总反应：H2＋

1/2O2

→

H2O48/668.2.2磷酸型燃料电池——关键组件电极：该电极由碳载体和铂催化剂层组成，通过化学吸附法将催化剂沉积于载体表面，电极厚度约为0.1mm。催化剂：采用耐腐蚀的贵金属铂，这是因为磷酸具有强烈的腐蚀性，大多数合金和金属在酸性电解质中容易受到严重腐蚀。双极板：常用的材料是石墨，因为磷酸具有腐蚀性，双极板不能使用普通金属材料制造。散热板：在每2至5个单体电池之间加入一片散热板，散热冷却剂通常采用水、空气或绝缘油等，其中水是最常用的冷却剂。49/668.2.2磷酸型燃料电池——工作特性工作温度：180-220℃，其依据是磷酸的蒸汽压、材料的耐腐蚀性能、催化剂的耐CO能力及电池特性。工作压力：常压至0.8MPa，通常对于小容量电池采用常压工作，对于大容量PAFC电池组，多采用加压工作。稳定性良好；余热利用中获得的水可以直接作为人们日常生活用热水；启动时间短。催化剂通常采用贵金属，因此成本较高；若燃料气中CO含量过高，催化剂将可能被CO毒化，从而丧失催化活性。优点缺点50/66碱性燃料电池8.2.1磷酸型燃料电池8.2.2熔融碳酸盐燃料电池8.2.3固体氧化物燃料电池8.2.4质子交换膜燃料电池8.2.58.2.3熔融碳酸盐燃料电池——工作原理 采用碱金属的碳酸盐作为电解质，载流子为碳酸根离子(CO32-)，不需要贵金属做催化剂。燃料为H2，氧化剂是O2和CO2当电池工作时，阳极侧的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应，生成CO2和H2O，将电子送到外电路阴极侧的O2和CO2与外电路输送来的电子结合，生成CO32-阳极：

H2+CO32-→CO2+H2O+2e-

总反应：H2+1/2O2+CO2(c)→H2O+CO2(a)52/668.2.3熔融碳酸盐燃料电池——关键组件催化剂：采用镍-铝合金，阴极材料以氧化镍为主。电解质载体：通过在高温下烧结γ-LiAlO2和粘接剂，制备出电解质载体。铝酸锂不仅具有较高的结构强度，还具备抗碳酸盐腐蚀的能力，能够满足其作为载体的性能要求。双极板：通常采用不锈钢或镍基合金制成，这些材料不仅具有出色的稳定性，还具备良好的导电性和低热阻等优点。53/668.2.3熔融碳酸盐燃料电池——工作特性VS优点

缺点

不需要贵金属做催化剂。可以使用CO含量高的燃料气体，如煤制气。二氧化碳排放量可以减少40%以上。高温排气可以回收利用，或者与汽轮机并联发电，从而使系统的发电效率提升至80%。1)高温环境和电解质的腐蚀性，对电池材料的长期耐腐蚀性能提出了严格要求，很大程度影响了电池的使用寿命。2)单体燃料电池边缘的高温密封技术难度大，增加了制造成本。54/66碱性燃料电池8.2.1磷酸型燃料电池8.2.2熔融碳酸盐燃料电池8.2.3固体氧化物燃料电池8.2.4质子交换膜燃料电池8.2.58.2.4固体氧化物燃料电池——工作原理采用高温环境下具有氧离子(O2-)传导能力的固态氧化物作为电解质，通常直接使用天然气、煤气、厌氧消化气等碳氢化合物作为燃料，并以空气作为氧化剂。在阳极，燃料气体与氧离子进行氧化反应生成水(或CO2)并释放电子。在阴极，空气中的氧原子与外电路提供的电子反应生成O2-，之后经固体电解质，由阴极迁移到阳极。阳极：

H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-阴极：1/2O2+2e-→O2-总反应：

mH2+nCO+1/2(m+n)O2→mH2O+nCO256/668.2.4固体氧化物燃料电池——关键组件电解质：主要成分是三氧化二钇（Y2O3）和氧化锆（ZrO2）。催化剂：采用掺入锶的锰酸镧(Sr-dopedLaMnO3，LSM)作为阴极催化剂，该材料不但具有较高的催化活性，而且具有良好的导电性。结构型式：管式结构和平板式结构是两种主要的设计方案。管式结构的优势在于无需阳极与阴极的密封，但其工艺复杂且成本较高。相比之下，平板式结构较为简单，制作成本较低，但在高温下密封较为困难。目前，研究人员已成功开发出陶瓷复合无机密封材料，有效解决了平板式SOFC在高温条件下的密封问题。57/668.2.4固体氧化物燃料电池——导电类型金属导体

导电溶液

固体导电无论何种材料，只要存在电子或带电粒子的定向运动，就会形成电流。这些“带电粒子”被称为“载流子”。载流子可以是电子，也可以是离子。载流子是电子的导体称为金属导体，即第一类导体。58/668.2.4固体氧化物燃料电池——导电类型金属导体

导电溶液

固体导电最初，电解质的概念仅限于溶液，因为电解质溶液中存在电离的离子，从而表现出良好的导电性能。例如，NaCl和KCl溶液等。后来，人们发现熔融的盐也具有导电性，因为在熔融状态下，盐会分解出带电离子。例如，熔融碳酸盐由金属阳离子和CO32-组成，在电场作用下，这些离子会发生定向运动。59/668.2.4固体氧化物燃料电池——固体电解质金属导体

导电溶液

固体导电前面提到，电子、空穴、阳离子和阴离子均可作为载流子；此外，固体中的阳离子缺位或阴离子缺位同样可以成为载流子。20世纪初，能斯特（Nernst）的研究发现，某些固体也具备离子导电性质。这类含有特定离子或载流子的固体物质被称为固体电解质。例如，SOFC的固体电解质导电机理。60/668.2.4固体氧化物燃料电池——固体电解质金属导体

导电溶液

固体导电当Y2O3代替ZrO2形成固溶体时（低价的阳离子代替高价的阳离子，YSZ：YttriaStabitizedZirconia），可能出现两种情况：1）Y3+阳离子进入Zr4＋

；2）Y3+阴离子进入O2-但：Y3+的半径为0.089nm，Zr4＋的半径为0.072nm，O2-是0.132nm

Y3+与O2-相差1.5倍61/668.2.4固体氧化物燃料电池——固体电解质金属导体

导电溶液

固体导电由此，Y3+只能占据Zr4＋位置，晶格中出现阴离子缺位。例如：1个Y2O3取代2个ZrO2

在晶格中，原本的两个Zr阳离子位置被两个Y取代，同时四个O2-位置中只有三个被占据，从而形成一个O2-空位。阴离子的缺位使得阴离子能够接力式迁移，因此YSZ是一种优良的固体电解质。62/668.2.4固体氧化物燃料电池——工作过程阳极：H2

＋O2-→H2O

＋2e-阴极：1/2O2+2e-→O2-总反应：H2

＋1/2O2→H2O＋电＋热63/668.2.4固体氧化物燃料电池——工作特点1）工作温度高

800--1000℃2）燃料气多样化CO＋O2-→CO2＋2e-

CH4

＋4O2-→CO2＋2H2O

＋8e-

3）稳定的电解质64/668.2.4固体氧化物燃料电池——工作特性VS优点

缺点

电解质是固体，因此没有电解质蒸发和溢漏的问题；无需使用贵金属催化剂，而且本身具有内重整能力，故可以直接采用天然气、煤气或其它碳氢化合物作燃料；SOFC系统的设计简单，发电容量范围大，用途更加广泛。高温工作下的SOFC的缺点是对电池材料的要求高，价格较贵；SOFC的所有元件，包括电极、电解质以及双极板等，都必须具备稳定的物化特性；电极材料之间不能发生化学反应，而且彼此之间的热膨胀系数也要相互配合。65/66碱性燃料电池8.2.1磷酸型燃料电池8.2.2熔融碳酸盐燃料电池8.2.3固体氧化物燃料电池8.2.4质子交换膜燃料电池8.2.58.2.5质子交换膜燃料电池——工作原理质子交换膜燃料电池是以氢气或净化重整燃料气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂在阳极，氢气在催化剂的作用下分解为氢离子与电子，氢离子穿过质子交换膜迁往阴极；电子则经由外电路做功后回到阴极在阴极，氧气、电子以及氢离子在催化剂的作用下发生还原反应产生液态水阳极：

H2→2H++2e-

阴极：

1/2O2+2e-+2H+→H2O电池总反应：

H2+1/2O2→H2O67/668.2.5质子交换膜燃料电池——质子交换膜结构杜邦公司（DoPont）生产的Nafion膜

68/66①

阳极：

H2→2H＋＋2e－

e－电子流经外电路；H＋交换膜中扩散②电解质：

H＋从阳极向阴极传递

③阴极：

1/2O2

＋2H＋＋2e－→H2O④负载：将阳极传过来的电子送到阴极8.2.5质子交换膜燃料电池——工作过程123469/668.2.5质子交换膜燃料电池——关键组件电解质：采用固态高分子聚合物，聚全氟磺酸膜是目前最常用电解质。催化剂：目前则普遍采用纳米级的铂金属。电极：采用碳载铂技术，并添加粘结剂与质子传导剂，涂布在气体扩散层或质子交换膜上，然后再用热压的方法将气体扩散层与膜压合。膜电极（MEA）：是PEMFC的心脏部位，MEA是由氢阳极、质子交换膜和氧阴极热压而成的三合一组件。MEA不仅需要有传输反应气和水的通道，还需要有质子和电子的传输通道。70/668.2.5质子交换膜燃料电池——工作特性VS优点

缺点

电解质是固体，内部唯一的液体为水。结构简单，便于制造，电池寿命长。质子交换膜燃料电池的工作温度较低（<80℃）低温工作使其具有激活时间短的特性，能在几分钟内达到满载。1)催化剂成本高，膜的价格高，供应商少。2)必须在水的产生速率高于蒸发速率状况下工作，以使薄膜保持充分含水状态，因此膜的水管理难度大。3)若燃料气体中含有CO，催化剂将会被CO毒化而失去催化活性。71/66思考题燃料电池根据所用电解质的不同可分为哪几种？分别写出这几种燃料电池的阴阳极及总反应方程式。在常见的燃料电池中，属于高温、中温和低温燃料电池的分别是哪几种？分别简述碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池的优缺点。简述固体氧化物燃料电池的电解质完成氧离子迁移的工作过程。72/66第三节燃料电池发电系统发电系统基本构成8.3.1车用燃料电池系统8.3.2家用燃料电池系统8.3.3燃料电池发电站8.3.48.3.1燃料电池发电系统基本构成75/66欢迎到课题组的集装箱实验室参观学习8.3.1燃料电池发电系统基本构成除燃料电池本体外，另包含4个辅助单元负载热管理余热回收②热量管理单元燃料供给燃料处理器①燃料预处理单元燃料电池组电力控制器中央动力控制单元DC/DC变换器DC/AC变换器电池③直交流变换单元④燃料电池控制器——空气管理——燃料管理——传感器76/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---①燃料预处理单元作用将供应的初始燃料转化成燃料电池所需气体燃料流程脱硫、催化重整、CO变换特点电池堆的工作温度越低，对燃料的要求条件就越苛刻要求进入PEMFC的燃料必须不含一氧化碳77/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---①燃料预处理单元要求总反应方程式：CH4+2H2O→4H2+CO2

脱硫R-SH+H2→R-H+H2S

H2S+ZnO→ZnS+H2O

催化重整CH4+H2O→CO+3H2

CO变换CO+H2O→CO2+H2

78/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---②热管理单元要求燃料电池能量①可能导致燃料电池出现过热或内部温差较大，从而影响燃料电池堆的稳定运行②为提高能量转换效率，可将释放的热量加以回收利用79/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---②热管理单元低功率小型便携式PEMFC系统不需专门的冷却设备，可利用周围环境空气的自然对流满足电池堆散热需求

低温PEMPC系统和中温PAFC系统通常需要强制空气对流或利用冷却液进行换热来保持电池温度高温燃料电池如MCFC和SOFC

可以利用其热量对燃料和氧化剂进行预热，为燃料的预处理提供热量80/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---③直交流变换单元功能电力调节电力转换燃料电池的输出电压不稳定设计电压达不到用户特定要求用户是交流电用户产生的电力需要并入电网81/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---③直交流变换单元直流/直流变换器(DC/DCconverter)DC/AC逆变器

将一定范围内的输入电压转换为稳定的输出电压将燃料电池产生的直流电转换为交流电提升输出电压是以减少输出电流为代价直流/直流变换器的输出功率与输入功率的比值称为变换效率82/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---④燃料电池控制器系统的“大脑”作用燃料电池发电系统的运行状态经常发生变化。因此，必须对燃料电池系统进行实时监控，并及时进行调整。构成多种传感元件（如温度传感器和压力传感器）、执行元件（如电磁阀）以及执行控制的计算机程序。83/668.3.1燃料电池发电系统基本构成---④燃料电池控制器燃料电池控制单元示意图控制系统燃料罐燃料处理系统燃料电池堆电力转换器负载热能热管理燃料供给量控制处理系统反应条件控制氢气供给量控制未反应气体循环控制温度、压力、空气供给量控制热回收系统控制直流电流和电压控制电压和交流频率控制电流和电压输出控制84/66发电系统基本构成8.3.1车用燃料电池系统8.3.2家用燃料电池系统8.3.3燃料电池发电站8.3.48.3.2车用电池燃料系统燃料电池汽车动力系统透视图86/668.3.2车用电池燃料系统87/66燃料电池汽车动力系统透视图8.3.2车用电池燃料系统不足努力方向成本高

若催化剂铂每千瓦用量为1g，则每辆燃料电池轿车的用量约为50g，这将导致燃料电池成本居高不下。寿命短在车辆运行过程中，燃料电池会频繁遭遇变载工况，这会加速电催化剂的老化。提高催化剂的活性与利用率研究低Pt催化剂、非Pt催化剂降低膜电极上的铂载量88/66发电系统基本构成8.3.1车用燃料电池系统8.3.2家用燃料电池系统8.3.3燃料电池发电站8.3.48.3.3家用燃料电池系统热循环系统热水系统电力转换器电力备用加热器燃料电池电堆氧气氧气供应设备天然气气体重整设备氢气90/668.3.3家用燃料电池系统优势：避免输电过程中意外故障的影响2节约建造及维护费用

1提高发电效率和可靠性3有利于保护环境491/668.3.3家用燃料电池系统产品及应用现状加拿大巴拉德公司开发了家用燃料电池电源，其输出功