燃料电池（氢能）.ppt

1、能源转换工程燃料电池，华东理工大学能源与化学工程系，张德祥，2004，氢能利用，氢核聚变能源利用(1)军事利用：氢核聚变能源的军事利用问题已经实现，氢弹和各种不同威力的氢核武器已经出现；(2)和平利用：氢聚变能的和平利用需要进一步研究和发展，受控热核聚变。利用氢能、氢弹和氢核武器来利用氢核反应的聚变能的优势非常明显：(1)氢核反应释放的聚变能非常强大，远远超过裂变能；(2)氢及其同位素资源丰富，原料成本低廉；(3)它不会像制造原子弹那样遇到临界质量问题。氢能利用，图3.2氢弹示意图1原子弹；2氘、氚和锂的混合物，3反射层；4壳层，氢聚变为氦反应的理论放电能量为6.451014J/kg氢。氢转化

2、为氦的反应是4H何(1.2)，氢能的利用，和平利用氢和核能只要第一次，也就是最弱的氢弹爆炸，释放出六倍的能量，这就足以打开巴拿马运河了。然而，通过使用不同威力的氢核爆力，我们可以挖掘水库，打开河流，促进采矿，改造沙漠，普及灌溉，发展农业，调节气候，绿化地球，融化冰雪，繁荣两极。目前，氢核反应还没有达到理想的人工可控阶段，因此氘氚反应的巨大热核能量可以根据使用要求连续稳定地提供能量，这就是可控热核反应。有两种控制方法：磁力限制热核反应和激光诱导聚变反应，磁力限制热核反应堆示意图，2H 3h 4he 1n能量，约20的能量代表产生的高速氦粒子的动能。并留在等离子体中。大约80%的能量被快中子切断，

3、并从等离子体逃逸到反应堆的慢化剂区。慢化剂使快中子减速，并将它们的动能以热量的形式传递给慢化剂流体(可能是水)。氢能利用、氢能利用、氘氚核聚变反应的能量输入和输出、氢能利用、实验室热核反应堆的设计图纸，受磁力制约的主要问题之一是如何产生一个形状确定的磁场，使可控聚变反应在等离子体温度为108K、等离子体密度为1015离子/cm3 (10-9摩尔浓度)的条件下持续1秒钟。2002年初，中国科学院等离子体研究所传出好消息，HT7超导托卡马克实验再次取得重大突破，实现了可重复的高温等离子体放电，电子温度超过500万，中心密度大于1.01019每立方米，低杂波驱动时间长达20秒；实现了电子温度超过10

4、00万，中心密度超过1.21019/立方米，时间超过10秒的高参数等离子体放电。在离子伯恩斯波和低杂波的协同作用下，实现了放电脉冲长度大于100个信号能量约束时间、电子温度为2000万的高约束稳态运行，最高电子温度超过3000万。HT-7超导托卡马克已成为世界上第二个放电长度为热能约束时间1000倍、温度超过1000万的超导装置，可以对稳态先进运行模式进行深入的物理和相关工程研究。与整体宏观参数相比，HT7已经超过了体积比HT7大3倍的俄罗斯T-10超导托卡马克，在稳态高约束运行长度方面达到了世界领先水平。氢能利用，激光诱导聚变反应堆，所提出的激光诱导聚变反应堆的原理是将12束强激光束聚焦在放

5、入反应堆的燃料丸上，一个质量小于1毫克的小药丸，其核能输出几乎等于22公斤梯恩梯的爆炸。不同于热核反应，人工喷气燃料的主要理化性质，液化甲烷和液态氢，氢能利用，1)液态氢的分子量最轻，密度最小，单位重量燃烧热最大，是甲烷的2.4倍，汽油的2.8倍。2)液氢沸点很低，气化潜热和比热很大，因此具有很大的冷却能力。使用液态氢作为冷却剂可以驱散高速飞机表面的热量，降低飞机的气动阻力。3)氢气具有优良的燃烧特性，火焰传播快，点火范围宽，点火能量小，火焰亮度低。4.液态氢成分简单，不含碳、硫、灰和金属等杂质。燃烧产物不含COx、SO2和CHx，因此发动机及其系统部件上没有积碳或腐蚀。氢能利用，液态氢飞机内

6、部设计示意图，氢能利用，使用氢作为飞机燃料，所有的问题都是物理问题和工程问题。按重量计算，单位重量燃烧氢气产生的能量是单位重量汽油的2.8倍，但液态氢的密度只有汽油的1/10(液态氢密度为0.07千克/升，汽油密度为0.7千克/升)。根据这种转换，每升液态氢产生的能量仅为每升汽油的0.35倍。还有另外两个因素需要考虑：第一，保护液氢热蒸发所需的绝缘材料占据一定的重量(不利影响)；其次，由于氢燃烧后产生的水蒸气的分子量小，氢燃料喷气发动机的推进效率极高(有利的影响)。考虑到上述因素，与汽油喷射飞机相比，氢喷射飞机的导航能力有了很大的提高。当使用相同重量的燃料时，氢喷气飞机的航程是汽油喷气飞机的1

7、.52.5倍。氢能利用，运载火箭卫星发射过程及轨道图，氢能利用，MB公司生产的T型掺氢汽油发动机汽车，氢能利用，戴姆勒-克莱斯勒燃料电池汽车，氢能利用，氢燃料电池汽车的优势氢燃料电池汽车是汽油发动机价格的100倍，而氢燃料电池汽车在中国更有前景：美国能源部制定了“氢计划”， 宣布投资12亿美元研发氢燃料电池，并提出中国燃料电池客车商业化示范项目，总投资3236万美元，历时5年，正式启动。 通过全球招标采购了12辆燃料电池客车，并建立了相应的加氢设施，在北京和上海进行了示范和运行。2020年，燃料电池汽车将占5%至10%，氢能利用，未来世界能源网络概念图，燃料电池原理图，燃料电池，燃料电池原理图

8、，燃料电池，阳极H2 2OH-2H2O 2e-E 298=-0.828伏阴极1/2OH 2 H2O 2e-2OH-E 298=-0.401伏总电池反应H2 1/2OH 2 H2O E 298=-1.229伏，燃料电池及其特点，燃料电池功率它是一种高效的发电装置，通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，无需燃烧。理论上，只要燃料持续供应，燃料电池就能持续发电。由于燃料电池具有发电效率高、环境污染少、建设时间短、减载灵活性好、余热易于综合利用等优点，非常适合作为集中式或分布式电厂，或者作为工厂、生活区和大型建筑的现场电厂。因此，在美国、日本和西欧，燃料电池多年来一直被认为是未来的发电技术之一，

9、并进行了广泛的基础研究。燃料电池的保持点。(1)不受卡诺循环的限制，能量转换效率高；(2)厂址占地面积小，建设时间短；(3)几乎没有环境问题；(4)负荷响应速度快，运行质量高。因为燃料电池直接转换fu的化学能根据热力学第二定律，热机最多只能将(T2-T1)/T2次的燃烧热转化为机械功，即热机的最高效率为()W/Q100%=(T2-T1)/T2100 (1-1)。热机在高温T2时吸收热量，产生电能，在低温T1时释放未转化为电能的热能。燃料电池的能量转换效率被定义为所产生的电能与化学反应释放的总能量之比。可逆理想状态下的转化效率为：燃料电池最高总效率(%)(-G)/(-H)100% (1-2)。实

10、际运行过程是不可逆的，燃料的转化效率是：燃料电池的实际转化效率()NFE/H100% (1-3)，以及E电池的实际输出电压。E-iRohm-tot (1 -4)型电池电动势；由欧姆电阻引起的电位降；极化现象所需的理论电动势和实际电压之间的差异称为超电势。因此，燃料电池的效率主要取决于单个电池的电压，而与发电厂的规模无关。在不使用废热的情况下，燃料电池的效率可以达到4050。不同发电方式的发电效率与电厂规模的关系及各种电厂的废气比较(单位：kg/106kWh)燃料电池发电的原理与普通化学电池相同，燃料电池的结构可由下式表示：(1)燃料电解质氧化剂(10) (15)要将燃料的化学能转化为电能，首先

11、要将燃料离子化进行电极反应。由于大多数燃料是有机化合物和气体，因此要求电极具有催化剂的特性(即“电催化”)并且是多孔材料，以便扩大燃料气体、电解质和电极之间的三相接触界面，并促进电子供体-受体反应。发生电子供体-受体反应的气-液-固三相接触界面称为三相区。这种多孔电极称为气体扩散电极或三相电极。气体扩散电极与催化剂的利用率和表观电流密度有关。气体扩散电池的研究直接关系到整个燃料电池的发展，一直是燃料电池研究的重要课题之一。燃料电池的电极反应是氧化还原反应，它的一般表达式是：a0x ne-=B . B(16)对于气体电池，在阳极，r是气体，o是离子；在阴极，o是气体，r是离子。当氧和氢与电极上的

12、电子平衡时，该电极的平衡电势可以表示如下：氢：气体常数，8.314焦耳(摩尔)；绝对温度，k；福：法拉第总是在工作；ao的活动：ar的活性：r。EO:aoar 1的标准平衡电位，即标准电极电位。以H2 H2SO4(稀)O2燃料电池为例，计算了电解质氢浓度与平衡电位的关系。电极反应如下：阳极H2=2H-2e-阴极1/2O2-2h-2e-=H2O。在0.1兆帕和25的条件下，H2和O2的标准电极电位为过氧化氢；分别。EO 21.23V EH20 ten 2.303(8.314298)/(296500)LG(ah)20.0591 LGh EO 21.23 ten 2.303(8.314298)/(2

13、96500)LG(ah)21.23 ten 0.0591 LGh因此，在开环电路中，电池的电动势为EEO2-EH21.23(V燃料电池通过与E做功产生电能，最大值为G，燃料的燃烧热等于-H。因此，燃料电池的理想热效率T为T (-G)/QL-TS/H。因为S的符号为正或负，所以T也超过1，这意味着从环境中吸收电化学效率el也称为电压效率，其被定义为燃料电池的工作电压Ek，V；Eo燃料电池的可逆电压，H2O2燃料电池在低电流密度下的电化学效率可高达0.9，电流效率F也称为法拉第效率，其定义为F=I/Im。实际效率p主要在有负载且电极不可逆工作时使用。它被定义为：燃料电池的总效率t对于一个完整的燃料

14、电池系统，它包括许多因素，如燃料和氧化气体的输送、加热和冷却电极所需的能量、电解质管道、电池组件、电池设计等。这部分效率统称为系统效率。总效率因此，总效率t是t=th。埃尔。另外，碱性燃料电池和燃料电池阳极侧产生的水必须及时清除，以避免稀释电解质溶液或淹没多孔气体扩散电极。因为阴极(氧电极)的极化损耗小于酸性电解质电池如PAFC电池的极化损耗，所以可以获得高电流效率。自动售检票机的工作温度一般保持在3愚人节K，当工作温度低于288K时，自动售检票机的性能明显下降。电池的工作压力保持在0 . 40 . 5兆帕.碱性燃料电池的特点：由于自动售油机的工作温度在373K以下，电池本体的结构材料选择广泛

15、。可以使用低成本的耐碱塑料，这些塑料可以注射成型以降低电池成本。从耐电解质方面来看，可以不使用贵金属铂催化剂。例如，镍催化剂可以用作阳极，这不仅可以降低成本，而且可以获得具有高机械强度的结构；银催化剂可以用作阴极。自动售检票机在室温下运行，可瞬间输出部分负荷，并在5分钟内达到额定负荷。当氧在低温下还原时，电极极化损失很小。使用碱性溶液如氢氧化钾作为电解质的缺点是电池对燃料气体中的CO2非常敏感。一旦电解质与含CO2的气流接触，电解质中就会产生碳酸根离子。如果含量超过30，电池的输出功率将急剧下降。因此，含碳燃料PAFC系统应配备CO2脱除装置。此外，为了保持电解质浓度，需要适当的控制，这导致系

16、统的复杂性。由于自动售检票机的工作温度较低，电池冷却装置中冷却剂的入口和出口之间的温差较小，因此冷却装置需要较大的体积，散热的利用率也有限。1-氧支撑板；2氧气蜂窝(空气室)；3.氧电极；4-石棉膜；5.氢电极；6单氢蜂窝(气室)；7氢支撑板；8一种排水薄膜；9排水膜支撑板；10-蜂窝脱水(蒸发室)；11-具有除水功能的蜂窝板和具有静态排水功能的氢氧隔膜燃料电池单元的示意图，双极自动售检票电池组组件的布置图1-双极电池；2双极板；3一个隔板；4电解质框架；5.集流板；6夹板，空气喷射双循环除水系统示意图1-循环电解液；2.高压氢气；3高压氧气；4个冷凝器，5个水箱；6氢氧化钾电解液，培根自动售油机系统培根在20世纪50年代制造了世界上第一个5kW燃料电池，5kW自动售油机系统。系统设计如图34所示。它的两极是多孔镍阳极和多孔氧化镍阴极，采用30KOH循环电解液，工作温度为200。为防止电解液沸腾，采用高压操作，压力为45兆帕。在如此高的温度和压力下，培根燃料电池性能优异，在200兆帕和4.5兆帕下可获得800毫安时-2的电流密度，电池电压为0.78伏。图34培根自动售检票系统1-电解质循环；2多孔镍(16m)；3多孔镍(