1303《新能源發(fā)電》大作業(yè)

1、網(wǎng)絡教育學院新能源發(fā)電課程設計題 目：燃料電池的利用學習中心：奧鵬學習中心層 次：專升本專 業(yè)： 電氣工程及其自動化化年 級：2013年春季學 號：學 生：輔導教師：康永紅完成日期：201 年2月2日燃料電池的利用燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發(fā)電 裝置，被稱為繼水電、火電、核電之后的第四代發(fā)電裝置。國際能源界預測，燃 料電池將是 21 世紀最有吸引力的發(fā)電方式之一。一燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及原理1. 燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)今燃料電池在國內外已經(jīng)被認可為今后動力技術發(fā)展的大方向， 美國、歐 洲和日本的各大汽車公司紛紛投入巨資進行燃料電池汽車的研發(fā)和實驗， 各國政 府也在政策

2、法規(guī)上給予了極大的支持。 近期聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNPD出資在全 球 5 個國家 6 個城市進行燃料電池公共汽車的示范運行。 斯圖加特大學汽車系已 經(jīng)開設了燃料電池的專門課程，可見燃料電池技術在國外已經(jīng)日趨成熟。戴姆勒-奔馳汽車公司從1993年到2000年先后推出了 Necarl到NecarV和Nebas等系列燃料電池概念車。在上文提到的在歐洲已經(jīng)開始實施的“歐洲清潔 城市運輸項目（CUTE ”中戴姆勒-奔馳汽車公司功不可沒。寶馬車公司與德爾 福公司合作開發(fā)車用固體氧化物燃料電池（IFC）,并將其運用在7系轎車。通用公司繼AUTOnom燃料電池概念車在2002年底特律車展上亮相之后， 又推出了

3、 Hy-Wire 全新概念車, 該車的安全極速可達到 160公里/小時。另外, 美國聯(lián)邦快遞公司從 2003年 6月開始在東京都市區(qū)使用“氫動三號”作為郵件 的運送車輛。福特汽車公司采用最新的混合動力電動汽車技術與先進的新式燃料 電池也已經(jīng)打造出一款全新的高效率、零排放名為“焦點”（Focus）的轎車。 日本自 2003 年起對燃料電池汽車實施免稅制度以鼓勵其發(fā)展。 豐田公司在 2002 年底宣布在日、美銷售燃料電池車，和日產(chǎn)合作開發(fā)混合動力電動車。在國內對燃料電池的研究已經(jīng)被列入國家 863計劃，目前有中國科學院大連 化學物理研究所燃料電池工程中心、 清華大學和同濟大學等三家學術科研機構積

4、極開展對燃料電池的研究工作， 有報道說今年將有若干輛燃料電池試驗車輛在上 海和北京試運行。 并且報道上說我國在燃料電池及電動車領域的研究水平與發(fā)達 國家相差無幾， 而且有關專家指出， 我國完全有能力在這一領域趕超世界先進水 平，我們盼望著這一天的早日到來。2燃料電池的基本原理燃料電池是藉由電池內發(fā)生燃料燃燒反應而將化學能轉換為電能的裝置，負極除作為燃料與電解質的共同接口， 并對燃料的氧化反應作催化；而正極則為氧 氣與電解質的共同接口，亦對氧的還原作催化。燃料電池因電解質不同而有不同 的名稱，有磷酸型(PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸鹽型(MCFC，melt car

5、bonate fuel cell )與固態(tài)氧化物型(SOFC solid oxide fuel cell ) 與質子交換膜型(PEMFC，proton exchange membrane fuel cell ) 等。對于以氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖如圖一所示，而其于堿性溶液中的電極反應為：正極 1/20 2 + 甩0 + e- 2OH -負極 H2 + 2OH- 2H2O + e-全反應 1/2O2 + H2 H 2O上述反應僅為氫氧燃料電池的反應式，對所采取的不同燃料反應亦將有所改 變。而為加速電極反應，電極中通常會加入催化劑如鉑，但鉑在150C時會被CO 所毒化而失去催化的效果，因此多

6、加入銠或銥于鉑之中。一般而言，對氧氣最佳 的催化劑為少量含金或銀的鉑鈀混合物。 此外，燃料電池將化學能轉化為電能的 效率相當高，約為60%90之間。另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反 應劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極邙陽極) 和空氣極(陰極)、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經(jīng)過電解質與反應相關的離子種 類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子(H )相關，發(fā)生的反應為：燃料極：H2=

7、2H 2e- (1)空氣極：2H 1/2O2 2e-=H2O (2)全體：H2 1/2O2=H2O (3)氫氧燃料電池組成和反應循環(huán)圖在燃料極中，供給的燃料氣體中的 H2分解成H和e-，H移動到電解質中 與空氣極側供給的O2發(fā)生反應。e-經(jīng)由外部的負荷回路，再反回到空氣極側，參與空氣極側的反應。一系例的反應促成了 e-不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構 成了發(fā)電。并且從上式中的反應式（3）可以看出，由H2和02生成的H20， 除此以外沒有其他的反應，H2所具有的化學能轉變成了電能。但實際上，伴隨 著電極的反應存在一定的電阻，會引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉換成電能 的比例。引起這些反應的一組電池

8、稱為組件， 產(chǎn)生的電壓通常低于一伏。因此, 為了獲得大的出力需采用組件多層迭加的辦法獲得高電壓堆。組件間的電氣連接以及燃料氣體和空氣之間的分離， 采用了稱之為隔板的、上下兩面中備有氣體流 路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料組成。堆的出力由總的電壓和電 流的乘積決定，電流與電池中的反應面積成比。PAFC的電解質為濃磷酸水溶液，而 PEMFC電解質為質子導電性聚合物系 的膜。電極均采用碳的多孔體，為了促進反應，以 Pt作為觸媒，燃料氣體中的 C0將造成中毒，降低電極性能。為此，在 PAFC和PEMFC應用中必須限制燃 料氣體中含有的C0量，特別是對于低溫工作的PEMFC更應嚴格地加以限

9、制。磷酸燃料電池的基本組成和反應原理是： 燃料氣體或城市煤氣添加水蒸氣后 送到改質器，把燃料轉化成H2、CO和水蒸氣的混合物，CO和水進一步在移位 反應器中經(jīng)觸媒劑轉化成H2和C02。經(jīng)過如此處理后的燃料氣體進入燃料堆的 負極（燃料極），同時將氧輸送到燃料堆的正極（空氣極）進行化學反應，借助觸媒 劑的作用迅速產(chǎn)生電能和熱能。相對PAFC和PEMFC，高溫型燃料電池 MCFC和SOFC則不要觸媒，以 CO為主要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用，而且還具有易于利用其高 質量排氣構成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等特點。MCFC主構成部件。含有電極反應相關的電解質（通常是為Li與K混合的碳酸鹽）和上下與其相接的2

10、塊電極板（燃料極與空氣極），以及兩電極各自外 側流通燃料氣體和氧化劑氣體的氣室、電極夾等，電解質在MCFC約600700C 的工作溫度下呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的液體，形成了離子導電體。電極為鎳系的多孔質體， 氣室的形成采用抗蝕金屬。MCFC工作原理?？諝鈽O的 O2 （空氣）和CO2與電相結合，生成CO23- （碳酸離子），電解質將CO23-移到燃料極側，與作為燃料供給的 H相結合，放 出e-，同時生成H2O和CO2?；瘜W反應式如下：燃料極：H2 CO23-=H2O 2e- CO2 （4）空氣極：CO2 1/2O2 2e-=CO23- （5）全體：H2 1/2O2=H2O （6）在這一反應中，e-同在PA

11、FC中的情況一樣，它從燃料極被放出，通過外部 的回路反回到空氣極，由e-在外部回路中不間斷的流動實現(xiàn)了燃料電池發(fā)電。另 外，MCFC的最大特點是，必須要有有助于反應的 CO23-離子，因此，供給的氧 化劑氣體中必須含有碳酸氣體。并且，在電池內部充填觸媒，從而將作為天然氣 主成份的CH4在電池內部改質，在電池內部直接生成 H2的方法也已開發(fā)出來 了。而在燃料是煤氣的情況下，其主成份 CO和H2O反應生成H2，因此，可以 等價地將CO作為燃料來利用。為了獲得更大的出力，隔板通常采用Ni和不銹鋼來制作。SOFC是以陶瓷材料為主構成的，電解質通常采用 ZrO2（氧化鋯），它構成了 O2-的導電體丫2O

12、3 （氧化釔）作為穩(wěn)定化的 YSZ （穩(wěn)定化氧化鋯）而采用。電 極中燃料極采用Ni與YSZ復合多孔體構成金屬陶瓷，空氣極采用 LaMnO3（氧 化鑭錳）。隔板采用LaCrO3（氧化鑭鉻）。為了避免因電池的形狀不同，電解質之 間熱膨脹差造成裂紋產(chǎn)生等，開發(fā)了在較低溫度下工作的SOFC。電池形狀除了有同其他燃料電池一樣的平板型外，還有開發(fā)出了為避免應力集中的圓筒型。SOFC的反應式如下：燃料極：H2 O2-=H2O 2e-（ 7）空氣極：1/2O2 2e-=O2-（ 8）全體：H2 1/2O2=H2O（ 9）燃料極，H2經(jīng)電解質而移動，與 O2-反應生成H2O和e-0空氣極由O2和 e仝成O2-。

13、全體同其他燃料電池一樣由 H2和O2生成H2O。在SOFC中，因 其屬于高溫工作型，因此，在無其他觸媒作用的情況下即可直接在內部將天然氣 主成份CH4改質成H2加以利用，并且煤氣的主要成份CO可以直接作為燃料利 用。二燃料電池的構成及特點1. 燃料電池的構成在燃料的部分， 氫的儲存上通常是以壓縮氣體存于氫氣桶中， 而氧則可取自 大氣或一樣由鋼桶中的壓縮氧氣提供； 但若所采取的是液態(tài)燃料， 則另需以適當 容器盛裝。在電極與電池的組成部分， 在此以熔融碳酸鹽燃料電池的結構來說明。 熔融 碳酸鹽燃料電池主要是由陽極、陰極、電解質基底和集流板或雙極板構成。1.1陽極MCFC的陽極催化劑最早采用銀和鉑，

14、為降低成本，后來改用了導電性 與電催化性能良好的鎳。但鎳被發(fā)現(xiàn)在 MCFC勺工作溫度與電池組裝力的作用下 會發(fā)生燒結和蠕變現(xiàn)象，進而 MCF(采用了 Ni-Cr或Ni-AI合金等作陽極的電催 化劑。加入2%10%C的目的是防止燒結，但Ni-Cr陽極易發(fā)生蠕變。另外，Cr 還能被電解質鋰化，并消耗碳酸鹽，Cr的含量減少會減少電解質的損失，但蠕 變將增大。1.2 陰極 熔融碳酸鹽燃料電池的陰極催化劑普遍采用氧化鎳。 其典型的制備方 法是將多孔鎳電極在電池升溫過程中就地氧化， 而且部分被鋰化， 形成非化學計 量化合物 ，電極導電性極大提高。但是，這樣制備的 NiO 電極會產(chǎn)生膨脹，向 外擠壓電池殼體

15、， 破壞殼體與電解質基體之間的濕密封。 改進這一缺陷的方法有 以下幾種 : (I)Ni 電極先在電池外氧化，再到電池中摻 Li; 或氧化和摻 Li 都在 電池外進行；(2)直接用NiO粉進行燒結，在燒結前摻Li，或在電池中摻Li: (3) 在空氣中燒結金屬鎳粉，使燒結和氧化同時完成；(4)在Ni電極中放置金屬絲 網(wǎng)(或拉網(wǎng))以增強結構的穩(wěn)定性。1.3電解質基底 電解質基底是MCFC勺重要組成部件，它的使用也是MCFC勺特 征之一。 電解質基底由載體和碳酸鹽構成， 其中電解質被固定在載體內。 基底既 是離子導體，又是陰、陽極隔板。它必須具備強度高，耐高溫熔鹽腐蝕，浸入熔 鹽電解質后能夠阻擋氣體通

16、過， 而又具有良好的離子導電性能。 其塑性可用于電 池的氣體密封，防止氣體外泄，即所謂“濕封”。 當電池的外殼為金屬時，濕 封是唯一的氣體密封方法。1.4 集流板 ( 雙極板) 雙極板能夠分隔氧化劑和還原劑，并提供氣體的流動通 道，同時還起著集流導電的作用， 因此也稱作集流板或隔離板。 它一般采用不銹鋼(如SS316 SS310)制成。在電池工作環(huán)境中，陰極側的不銹鋼表面生成，其內層又有氧化鉻，二者均起到鈍化膜的作用，減緩不銹鋼的腐蝕速度。SS310不銹鋼由于鉻鎳含量高于SS316因而耐蝕性能更好。一般而言，陽極側的腐蝕速 度大于陰極側。 雙極板腐蝕后的產(chǎn)物會導致接觸電阻增大， 進而引起電池的

17、歐姆 極化加劇。為減緩雙極板陽極側的腐蝕速度，采取了在該側鍍鎳的措施。 MCFC 是靠浸入熔鹽的偏鋁酸埋隔膜密封， 稱濕密封。為防止在濕密封處造成原電池腐 蝕，雙極板的濕密封處通常采用鋁涂層進行保護。1.5 電池整體結構 熔融碳酸鹽燃料電池組均按壓濾機方式進行組裝， 在隔膜兩 側分置陰極和陽極，再置雙極板，周而復始進行，最終由單電池堆積成電池堆。 氧化氣體和燃料氣分別進入各節(jié)電池孔道(稱氣體分布管)，MCFC電池組的氣體 分布管有兩種方式 :內氣體分布管和外氣體分布管。近年國外逐漸傾向采用內分 布管方式， 并對其進行了改進。 氧化與還原氣體在電池內的相互流動有并流、 對 流和錯流三種方式，少部

18、分熔融碳酸鹽燃料電池采用錯流方式。2. 燃料電池的特點(1) 能量轉化效率高。 效率高達 50%一 60%，通過對余熱的二次利用， 總效率可 高達 80%一 85%。(2) 無污染，可實現(xiàn)零排放。工作過程的唯一產(chǎn)物是水。(3) 效率隨輸出變化的特性好。部分功率下運行效率可達 60%，短時過載能力 可達到 200%的額定功率。(4) 運行噪聲低，可靠性高。無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。(5) 構造簡單，便于維護保養(yǎng)。模塊化結構，組裝和維護方便 ; 沒有運動部件， 磨損之類故障少。(6) 燃料(氫氣)來源廣泛。制備方法多樣，可通過石油、甲醇等重整制氫，也 可通過電解水、生物制氫等方法獲

19、取氫氣。(7) 燃料補充方便?？梢圆捎眉状嫉纫后w為燃料，利用現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)，采 用與汽車加油大體相同的燃料補充方式短時間內完成燃料的補充。(8) 環(huán)境適應性強。它的功率密度高、過載能力大、可不依賴空氣，因此可兩 棲使用，適應多種環(huán)境及氣候條件。三.燃料電池的類型燃料電池是電動汽車重要動力源之一，迄今為止，人們研究過的燃料電 池品種很多，其分類方法也很多。有按工作溫度高低分類，如低（常）溫燃料電 池、中溫燃料電池、高溫燃料電池（400 C以上）；有按電池工作狀態(tài)分類，如 固體燃料電池、液體燃料電池、氣體燃料電池；也有按燃料種類來分，如氫氧燃 料電池、鈉氧燃料電池、甲醇燃料電池等。目前較為普遍接

20、受的是按電解質的不 同進行分類。1.堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ，AFC)堿性燃料電池的燃料是氫，氧化劑是氧或空氣。采用 35%50%的KOH水 溶液作為電解液，它浸在多孔性石棉膜中或裝在雙極板電極的堿腔中， 石棉膜兩 側分別壓上多孔性陰勵陽極。電池工作證一般在220c*，可在常壓和加 壓下工作。該電池的電極反應原理是：一7 OH-電池總反應二2HaO +2出02. 磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC）磷酸燃料電池以純磷酸為電解質，它包含在用PTFE粘結成的SiC粉末基質中作為電解質，其厚度一般只有100200m。電解質基質兩邊分

21、別附有鉑催化 劑的多孔性石墨陰極和陽極。在陽極（電池負極），燃料氣中的氫氣在電極表面 發(fā)生電化學反應生成H+，并放出電子：H2一2IT +2總在陰極（電池正極），H+和空氣中的氧進行電化學反應生成水：O?+4e2H.0電池總反應02 +2 比一2H.0電池工作溫度一般在180210 C。選擇這一溫度范圍依據(jù)是磷酸的蒸汽壓、材料的耐腐蝕性能、催化劑耐 CO能力及電池性能的要求。提高工作溫度會使電 池發(fā)電效率更高。電池的工作壓力：小功率電池堆采用常壓操作；在較高壓力下運行時，會使 電化學反應速度加快，發(fā)電效率提高，因而大功率電池堆則采取加壓操作， 一般 工作壓力設定在0.70.8MPa。單電池工作

22、電壓在0.8V以下，發(fā)電效率達40%50% 。磷酸燃料電池不受CO2限制，可使用空氣作氧化劑；燃料可以用重整氣，但 由于電池使用鉑作催化劑，CO對電池性能影響很大。此外硫化物氣體也會降低 電極的催化活性。該電池適合用作固定電站。雖然電池制作成本低，但它的運行發(fā)電成本比網(wǎng) 電價格高很多。目前為15002000美元/ kW03. 熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）熔融碳酸鹽燃料電池的電解質是 Li2COs-Na2CQ或LizCOs-KzCQ的混合物熔 鹽，浸在用LiALO2制成的多孔隔膜中，載流子是碳酸根離子。陽極催化劑通常 采用Ni-Cr或Ni-

23、Al合金；陰極催化劑采用 NiO,電池工作溫度為600650 C。 電池的雙極板通常采用不銹鋼或鎳基合金鋼制成。電池的成流反應過程：氧氣在陰極（電池的正極）和CO2 一起在催化劑作用 下被氧化成 CO?2-離子，后者在電解液中遷移到陽極（電池的負極），與氫氣作 用生成 CO2和水。_Lfla t+2r co：“電迪恵反應：H, +y0, -KCO,Hto + co該種高溫燃料電池比低溫燃料電池具有許多優(yōu)勢：可以使用石化燃料。電池產(chǎn)生的廢熱具有更高的利用價值。在較高溫度下，CO是一種燃料。在較高溫度下，不需要使用貴金屬作為催化劑。電池反應中的載流子不需要使用 水介質，避免了復雜的水管理系統(tǒng)。熔融

24、鹽燃料電池的燃料可以使用重整氣體， 也可以利用天然氣進行內部重整 發(fā)電。目前美國和日本均在 MW級實驗電廠中作運行示范，對電堆的壽命、性 能、成本和系統(tǒng)可靠性進行考核。這種電池不適合做電動車動力源。4. 固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell , SOFC)固體氧化物燃料電池電解質是氧化釔摻雜的氧化鋯，它在8001000 C高溫下具有氧離子導電性。電池的成流反應過程是：空氣中的氧氣在陰極(電池的正 極)得到電子生成氧離子O2-，后者經(jīng)過電解質由陰極流向陽極，同燃料分子(H2、 陰鍥匕 3tr-CO或發(fā)生電化學反應生成水并放出電子，后者由陽極經(jīng)外電路流向陰極：C0(R)

25、04 +“CH.(g +401- 20(fCOg) +SrSOFC的結構主要有管式、平板式和瓦楞式三種，其中以管式比較成熟。 該電池成本過高，限制了它的應用。今后除設法降低成本外，還要研制新 材料，使工作溫度降低到400600 Co5. 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel CellPEMFC)質子交換膜燃料電池系采用全氟磺酸質子交換膜作電解質，可在常溫80 C工作。燃料直接使用氫或直接使用甲醇。PEM FC具有高功率密度、高能量轉換 效率、低溫啟動、環(huán)境友好等優(yōu)點。近期發(fā)展很快，適合于作電動汽車電源。6. 直接甲醇燃料電池(Direct Methan

26、ol Fuel Cell ，DMFC)直接甲醇燃料電池是質子交換膜燃料電池的一種，其膜電極組件MEA基本上跟PEMFC相同，只是使用的燃料有所不同：DMFC使用的是液態(tài)甲醇，PEMFC 使用的是氣態(tài)氫。該電池的成流反應是；電池總反應工CH50H 0j+ C03電池工作時，甲醇被輸送到陽極室，在陽極上被氧化為CO2，同時生成6個 質子和6個電子；電子經(jīng)外電路由陽極到達陰極，質子經(jīng)質子交換膜由陽極到達 陰極。氧氣在陰極上與到達陰極的質子和電子結合生成水。電子通過外電路做功。根據(jù)參與電池反應的物質的熱力學數(shù)據(jù)可以計算出，在標準狀況下，DMFC的電動勢達到1.21V，能量轉換效率高到97%。但由于在實際使用時電極極化和 歐姆壓降較大，電池的輸出電壓和能量轉換效率都較理論小很多。雖然由甲醇重整制氫作為PEMFC氫源的電動汽車已經(jīng)開發(fā)了不少，但作為車用動力源的直接甲醇燃料電池還研制得較少。雖然克萊斯勒公司曾開發(fā)出DMFC電動汽車樣車，但它的最高時速只有35km/h，續(xù)行里程也只有15km。2003年雅馬哈發(fā)動機公司試制出 DMFC摩托車，功率為500W，重20kg，間歇 運轉時間1000h。雖然如此，但DMFC作為小型儀器用電源卻得到了很快發(fā)展。 例如，杜邦和英國的CMR燃料電池公司已生產(chǎn)出直接甲醇燃料電池的樣機，其 大小為目前用于便攜式電子設備的標準電池的 1/10，成本為