当前位置: 首页 > >

2006新能源发电技术8_燃料电池发电技术

发布时间:

电气工程学院
School of Electrical Engineering

3/30/2006

新能源发电技术
第8 章

李广凯 Email: lgk@ncepu.edu.cn

North China Electric Power University

目 录
?第8章 燃料电池发电技术
?8.1燃料电池的基本原理 ?8.2磷酸型燃料电池 ?8.3熔融碳酸盐型燃料电池 ?8.4固体电解质型燃料电池 ?8.5固体高分子型燃料电池 ?8.6直接甲醇型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

2

8.1 燃料电池的基本原理

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

3

8.1.1燃料电池发电方式(1)
? 一种新的发电方式
? 实质是化学能发电,不经过化学能、热能、机械 能、电能的过程 ? 将燃料中的氢气借助电解质和空气中的氧气发生 化学反应发电 ? 不同于干电池或蓄电池
9 可以持续添加燃料 9 有生成物排出

? ? ? ?

1839年格罗夫发表燃料电池发电报告 1960年通用公司的质子交换膜燃料电池飞船应用 1968年阿波罗登月飞船上采用碱性燃料电池 1981年,日本“月光计划”全面开展燃料电池研究
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

4

8.1.2燃料电池基本原理(1)
? 燃料电池发电原理
? 将燃料中的氢气借助电解质和空气中的氧气发生 化学反应发电 ? 两个电极燃料极和空气极 ? 氢通过催化剂分解成氢离子和电子,电子通过外 电路的负载与空气极联通 ? H2→2H++2e? 2H++2e-+O2 → H2O ? 发电开路电压1.23V ? 材料选择、制造方法、电池构造和运行方法等都 是重要研究课题
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

5

8.1.3燃料电池特征和分类(1)
? 燃料电池特征
? 不受卡诺循环的限制,可以有较高效率 ? 污染极少,绿色能源 ? 可以使用天然气、石油、煤炭、乙醇、沼气等多 种燃料 ? 没有旋转部分,噪声小 ? 可以采用积木模式组成各种规格电池 ? 不需要大量冷却水

? 燃料电池分类
? 按照电解质类型分类
电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

North China Electric Power University

6

8.1.3燃料电池特征和分类(2) 熔融碳酸 固体电解 固体高分 磷酸型 碱性 盐型 质型 子型 约200 800-1000 60600-700度 约100度 温度 80度 度 度 电解 磷酸溶 熔融碳酸 固体氧化 KO 全氟磺酸 H 质 液 盐 物 膜 反应 H+ CO32O2OHH+ 离子 可用 天然气、 天然气、 天然气、 氢、天然 纯氢 燃料 甲醇 甲醇、煤 甲醇、煤 气、甲醇 适用 分散电 移动 移动、分 分散电源 分散电源 领域 源 电源 散电源 CO中 CO中毒 备注 无 无 毒

直接甲 醇型 约100 度 全氟磺 酸膜 H+ 甲醇 移动电 源 CO中 毒

8.1.4燃料电池系统(1)
? 燃料电池系统
? ? ? ? ? ? 燃料重整系统 空气供给系统 直流交流逆变系统 排热回收系统 控制系统 剩余气体循环系统

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

8

8.2 磷酸型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

9

8.2.1原理、特征与工作温度(1)
? 原理
? 磷酸型燃料电池简称PAFC,以磷酸为电解质 ? 天然气、甲醇为燃料 ? 燃料极中,氢分解成氢离子和电子,氢离子在电 解质中移动,电子通过外电路达到空气极

? 特征与工作温度
? ? ? ? ? 低温发电稳定性好 反应排出温度不高 启动时间短 催化剂需要有白金 CO易中毒
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

10

8.2.2燃料重整、催化剂和电解质(1)
? 燃料重整
? 用化石燃料时,需要把碳氢混合物变成氢气 ? 可以用水蒸气重整法和部分氧化法

? 电池催化剂
? 一般用白金合金作催化剂 ? 空气极需要更多

? 电解质
? ? ? ? 蒸汽气压低,化学稳定 耐腐蚀,不妨害电极化学反应 离子导电性能高 腐蚀性低,纯度高,可湿性
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

11

8.2.3现状及动向(1)
? 现状
? 已经商业化 ? 最大11000kW装置在日本东京电力五井火电厂 ? 效率30-40%

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

12

8.3 熔融碳酸盐型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

13

8.3.1原理(1)
? 熔融碳酸盐型燃料电池原理
? ? ? ? 熔融碳酸盐型燃料电池简称MCFC 以碳酸锂、碳酸钾、碳酸钠为电解质 燃料极(负极,阳极),空气极(正极,阴极) 效率45-60% 9 燃料极2H2+2CO32- → 2CO2 + 2H2O+4e9 空气极O2+2CO +4e- - → 2CO329 整体2H2+O2 → 2H2O

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

14

8.3.2-3特征与工作温度,使用的燃料(1)
? 特征与工作温度
? ? ? ? 工作温度600-700度 不产生催化剂CO中毒问题 排热温度高,可以与燃气轮机等复合发电 工作温度高,使用强腐蚀性材料,技术难度大

? 燃料
? 以天然气为主的碳氢化合物:碳氢气、甲烷、甲 醇、煤炭等 ? 需要转换成CO和氢气 ? CH4+aH2O →b1H2 + b2CO+ b3CO2 + b4H2O + b5CH4 ? 可以采取外重整和内重整
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

15

8.3.4性能与寿命(1)
? 性能与寿命
? 一定范围内,温度上升时,电解质阻抗下降 ? 影响寿命的因素主要有
9 9 9 9 运行中析出镍 阳极的蠕变 电解质板腐蚀 电解质流失

? 现状与未来
? ? ? ? ? 美国已经进行了2MW熔融碳酸盐燃料电池试验 热量综合利用效率75% 日本已进行了1000kW熔融碳酸盐燃料电池试验 中国也进行了相关试验 已经接*实用水*
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院

School of Electrical Engineering

16

8.4 固体电解质型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

17

8.4.1原理(1)
? 固体电解质型燃料电池
? 简称SOFC ? 电解质为氧化锆等 ? 发电效率45-60% 9 燃料极2H2+O2- → H2O+2e1 9 空气极 2 O2+2e-→ O29 整体H2+ 1 O2 → H2O
2

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

18

8.4.2-3特征、电池的构造和种类(1)
? 特征
? 用氧离子为导电体和利用质子离子为导电体
9 用氧离子为导电体的氧与氢在燃料极反应得到电和水 9 用氢离子为导电体的氧与氢在空气极反应得到电和水

? 电池构造的种类
? 圆筒型方式
9 机械强度高 9 热应力缓和 9 密封方便

? *板型方式
9 发电效率高,输出密度高 9 构造复杂
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

19

8.4.4-5电池材料、现状与动向(1)
? 电池的材料
? ? ? ? 固体电解质材料:ZrO2, CaO等 燃料极材料:镍、锆等 空气极材料:复合氧化物 其它构成材料:隔板等

? 现状与动向
? 美国领先:25kW级电堆运行 ? 日本、德国、英国、法国等进行了相应研究 ? 中国有小功率例子

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

20

8.5 固体高分子型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

21

8.5.1原理(1)
? 原理
? 固体高分子型燃料电池简称PEMFC或PEFC ? 电解质为固体高分子电解质膜 ? 离子导电体为H+ 9 燃料极H2 → 2H++2e9 空气极 O2+ 2H++ 2e-→ H2O 1 O → H2O 9 整体H2+ 21 2 ? 工作温度低:室温到 100度 2 ? 单体电池得到1V左右电压 ? 输出密度高3kW/m2 ? 燃料为氢气需要单独制取
North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

22

8.5.2-3特征、结构(1)
? 特征
? ? ? ? 输出密度高,可以制成较轻的电池 电解质不易流失 构造简单,寿命长,工作温度低 成本较高

? 结构
? 离子交换膜为氟树脂交换膜,需要湿润 ? 一对电极中间夹离子交换膜 ? 发电系统还有气泵、水分控制系统、冷却系统、 电气系统等
电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

North China Electric Power University

23

8.5.4-5适用范围、现状及动向(1)
? 适用范围
? 最初主要军事上 ? 输出密度高、启动时间短、噪声小、结构简单、 可以代替潜水艇发动机等 ? 车辆应用也有优势 ? 另外就是家庭应用

? 现状及动向
? 研究热点,各大汽车公司研究较多 ? 目前成本较高

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

24

8.6 直接甲醇型燃料电池

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

25

8.6直接甲醇型燃料电池(1)
? 原理
? 直接甲醇型燃料电池简称DMFC ? 不重整甲醇、直接把蒸汽和甲醇变换成质子(氢 离子) ? 可以做得更小 ? 难点是高分子膜

North China Electric Power University

电 气 工 程 学 院
School of Electrical Engineering

26

电气工程学院
School of Electrical Engineering

Thanks
Http:// www.ncepubd.edu.cn/
North China Electric Power University




友情链接: