（机械电子工程专业论文）燃料电池发动机尾气能量回收的研究.pdf

全文摘要 全文摘要 燃料电池技术作为第四代发电技术，以其发电效率高、机组的容量的自由 度大、燃料电池的环境兼容性好、燃料清洁无污染以及燃料来源广、建设工期 短、使用方便等优越特点被广泛应用于各种领域。燃料电池电动汽车正是在上 述基础之上发展研究起来的，它的研究发展不仅将改变人们对汽车的现有认识， 更重要的是改变了能源使用结构，对于社会的可持续发展有非常重大的意义。 燃料电池发动机是燃料电池电动汽车的关键部件，本论文主要研究的是燃料电 池发动机尾气能量的回收，主要分以下六章节： 第一章首先从燃料电池的原理、分类和结构，燃料电池技术的发展现状， 燃料电池技术的特点和优势以及燃料电池技术的主要应用领域论述了本课题的 研究背景和意义。继而提出了本课题研究的方向和内容，并详细介绍了本论文 的主要工作。 第二章主要对与燃料电池发动机尾气能量回收直接相关的燃料电池发动机 空气进气系统作了详细介绍和分析。首先提出了燃料电池系统的性能指标和技 术指标，进而提出燃料电池空气进气系统对整个燃料电池发动机的重要性。从 空气进气系统的系统结构和能量循环分布具体说明了对燃料电池发动机尾气进 行能量回收的可行性和重大意义。 第三章详细说明了燃料电池发动机尾气能量回收的方案和具体的设计、实 施过程。首先根据燃料电池发动机尾气能量的特点，提出了三种具体的能量回 收方案，又具体比较了多种能量回收装置的性能特点。接着概要的说明具体的 能量回收平台的搭建，包括软件和硬件的实现。最后，详细论述了能量回收系 统中的几个主要部件的设计和改进，包括涡轮增压器材料的改进、涡轮增压器 轴承和润滑系统的设计和改进、文丘里式气体混合器的设计。 第四章主要对具体的实验数据作详细地分析。应用多种能量分析理论，根 据实验数据计算能量回收系统的效率，包括系统改进前和改进后不同效果的比 较。 第五章详细论述了实验过程中还存在的一些问题。包括涡轮增压器轴承寿 命问题、涡轮增压器润滑油泄漏问题、气体混合器的混合效果问题，并对产生 这些问题的具体原因作了详细的分析，同时也提出了针对性的解决对策。 第六章是论文的总结和展望。总结了课题研究中所做的主要工作和一些还 存在的主要疑难问题，并对这些存在的问题和将来的研究方向作了分析。 关键词：燃料电池发动机；尾气能量回收；涡轮增压器：文丘早式气体混合器 a b s t r a c t a b s t r a c t f u e lc e l lt e c h n o l o g yi sr e g a r d e da st h ef o u r t hg e n e r a t ee l e c t r i c i t yt e c h n o l o g y b e c a u s eo f m a n yv i r t u e si n c l u d i n gt h eh i g he f f i c i e n c yo f g e n e r a t ee l e c t r i c i t y 、t h eb i g r a n g eo fe l e c t r i c i t yc a p a b i l i t y 、t h eg o o df l e x i b i l i t yt oe n v i r o n m e n t 、b r o a df u e l r e s o u r c e 、s h o r tc o n s t r u c t p e r i o da n d u s ec o n v e n i e n t l ya n ds oo n f o rt h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef u e lc e l lt e c h n o l o g yi sa p p l i e di n t om a n yd o m a i n sn o w t h e r e s e a r c ho fe l e c t r o m o t i o nv e h i c l eb a s e do nf u e lc e l li sc a r r y i n go u ti nm a n yc o u n t i e s a tp r e s e n t ，w h i c hw i l ln o to n l yc h a n g et h ea c q u a i n t a n c eb yp e o p l e s ，b u ta l s oc h a n g e t h es i n g l ee n e r g ys t r u c t u r et ov e h i c l e i ti sv e r yi m p o r t a n tt oo u rs o c i e t yt od e v e l o p d u r a b l y f u e lc e l le n g i n ei s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ef u e lc e l lv e h i c l e ，a n d r e c y c l i n ge x h a u s tg a sf r o mf u e lc e l le n g i n et h a tb e l o n g st ot h ef u e lc e l le n g i n es y s t e m i st h ep r i m a r yc o n t e n to nt h i st h e s i s 1 1 1 ew h o l et h e s i sc o n s i s t so f s i xs e c t i o n s ： c h a p t e r1 d i s c o u r s e su p o nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i s t h e s i sf r o mf o u rs e c t i o n s ：t h et h e o r y 、c l a s s i f ya n ds t r u c t u r eo ff u e lc e l l ，t h ed e v e l o p s t a t u so nf u e lc e l l ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ff u e lc e l lt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o nd o m a i no f f u e lc e l l i ns u c c e s s i o nt o t h i s ，i tr a i s e s t h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dc o n t e n ta n d i n t r o d u c e st h ec e n t r a lt a s k sa b o u tt h i st h e s i s c h a p t e r2i n t r o d u c e sa n da n a l y s e st h ea i rs u p p l ys y s t e mi nf u e lc e l le n g i n ei n d e t a i l f i r s t l y , i ta n a l y s e st h ep e r f o r m a n c ea n dt e c h n o l o g yg u i d e l i n e sd e t a i l e d l y s e c o n d l y , i te x p l a i n st h a tt h ea i rs u p p l ys y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ew h o l ef u e lc e l l e n g i n e f i n a l l y , i te x p a t i a t e st h ef e a s i b i l i t ya n ds i g n i f i c a n c ea b o u tr e c y c l i n ge x h a u s t g a sf r o mf u e lc e l le n g i n ef r o mt w oa s p e c t s ：t h es y s t e ms t r u c t u r eo fa i rs u p p l ys y s t e m ， t h ee n e r g yc i r c u l a t i o nd i s t r i b u t i n go f a i rs u p p l ys y s t e m c h a p t e r3d e t a i l e d l yi l l u m i n a t e st h es c h e m ea n dd e s i g nc o a s eo fr e c y c l i n g e x h a u s tg a sf r o mf u e lc e l le n g i n e f i r s t l y , i tp r e s e n t st h r e ep r a c t i c a ls c h e m e so f r e c y c l i n gt h ee x h a u s tg a sf r o mf u e lc e l le n g i n eo nt h eb a s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f e x h a u s tg a s ，a n dc o m p a r e st h ed i f f e r e n c ea m o n gt h e m s e c o n d l y ，i ts u m m a r i l y d i s s e r t a t e st h ep l a t f o r mc o n s t r u c to fr e c y c l i n ge x h a u s tg a si n c l u d i n gt h ed e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e f i n a l l y , i td i s s e r t a t e st h ep r i m a r yc o m p o n e n t sd e s i g na n d b e t t e r m e n ti nr e c y c l i n ge x h a u s tg a ss y s t e md e t a i l e d l y , s u c ha sm a t e r i a lb e t t e r m e n to f t u r b o s u p e r c h a r g e r , t h ed e s i g na n db e t t e r m e n to fb e a r i n ga n dl u b r i c a t es y s t e mi nt h e t u r b o s u p e r c h a r g e r , t h ed e s i g no f v e n t u r ig a s - m i x e di n s t r u m e n t c h a p t e r4a n a l y s e st h ep r a c t i c a la n de x p e r i m e n t a ld a t ad e t a i l e d l y o nt h eb a s eo f i l a b s t r a c t t h ep r a c t i c a ld a t a ，i ta p p l i e ss o m ee n e r g ya n a l y s i st h e o r yt oc o m p u t ee f f i c i e n c yo ft h e r e c y c l i n ge x h a u ag a ss y s t e m ，a n di n c l u d e st h ee f f e c tc o m p a r i s o nf r o mp r e - i m p r o v e d s y s t e mt oi m p r o v e ds y s t e m c h a p t e r5d i s c o u r s e su p o nt h ee x i s t e n td i f f i c u l t i e sd e t a i l e d l y ，s u c ha st h ei s s u eo f b e a r i n gl i f ei nt u r b o - s u p e r c h a r g e r , t h el e a ko fl u b d c a t i n go i li nt u r b o s u p e r c h a r g e r a n dt h ei s s u eo fm i xe f f e c tb yg a s m i x e di n s t r u m e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h er e a s o n s f o ra b o v ei s s u e sa n dp r e s e n t sm e a s u r a b l er e s o l v i n gm e a n sa tt h es a m et i m e c h a p t e r6s u m m a r i z e st h ep a p e r i ts u m m a r i z e st h ea c c o m p l i s h e dw o r ka n dt h e e x i s t e n td i f f i c u l t i e s ，a n dp u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o na b o u tt h e s ei s s u e s k e yw o r d s ：f u e lc e l le n g i n e ；e x h a u s tg a sr e c y c l e ；t u r b o - s u p e r c h a r g e r ；v e n t u r i g a s m i x e da p p a r a t u s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 众所周知，第一代动力系统蒸汽机和第二代动力系统内燃机消耗了大量不可 再生的化石能源资源，且造成了严重的环境污染。随着当代社会的不断发展进步， 尤其是工业的快速发展，各国对传统能源( 包括石油、天然气、煤等) 的需求量 不断的上升，从而使各国都面临着能源短缺的严重问题；另一方面，各国的汽车 拥有量也随着人们生活水平的提高而不断增加，并且当代的汽车主要以汽油和柴 油为燃料，在拥有量不断攀升的情况下，使得能源短缺和环境污染问题更加严峻。 汽车在消耗大量石油资源的同时，又排放出许多环境污染源。温室效应、酸雨等 无不与汽车尾气污染有重要关系”。 人类社会的可持续发展问题正面临严峻挑战，能源和环境是实现可持续发展 的必要条件。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增 长，全世界的能源消耗在今后二十年至少增加一倍。如果没有新型的能源动力， 世界将从目前的能源短缺很快走向能源枯竭。为解决经济发展与能源短缺及环境 污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成 了十分紧迫的任务i l 。 虽然与2 0 世纪6 0 年代的汽车相比，当今的燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化 碳的排放量已经减少了9 0 以上，氮氧化物的排放量也减少了近8 0 1 1 7 1o 尽管如此， 由于汽车拥有总量和行驶里程的不断增加，汽车仍是大气的主要污染源，也是能 源的较大消费者。 为了彻底解决汽车废气排放问题以及寻找新型能源来代替传统能源，世界各 国都在不停努力地探索。美国加利福尼亚州大气资源局( c a r b ) 在1 9 9 0 年1 0 月提出 了世界上第一个限制汽车废气排放的“零排放”法案。在美国的影响下，世界上 的各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或法规，并投入巨资，开发 研究新型“零排放”汽车。美国联邦政府和美国企业界进行广泛合作，大力发展 先进汽车技术，并于i 9 9 3 年9 月成立p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) 。其中一个显著的目标就是：1 0 年内，把汽车燃油经济性提高到原来 的3 倍，排放达到超低排放标推，并且不降低安全性和使用性能。同时保持汽车 价格不变。为了实现这些目标，p n g v 把燃料电池技术作为优先发展的技术。从而， 掀起了世界范围研究车用燃料电池的热潮m j 。 我国是一个能源消费大国，经济发展速度强劲，工业现代化进程不断加快， 对能源的需求量也飞速的增长。而且随着我国人民生活水平不断提高，汽车拥有 量也以前所未有的速度增长，随之产生的结果就是能源需求量继续增加、环境污 第一章绪论 染加深。为了解决当前面临的严重问题，选择燃料电池技术作为突破口，研究和 开发燃料电池电动汽车己成为国家重点攻关项目。 1 2 燃料电池技术的特点和研究发展现状 1 2 1 燃料电池的原理、分类及结构 燃料电池的发展已有很长的历史。1 8 3 9 年，g r o v e 爵士通过将水的电解过 程逆转而发现了燃料电池的原理。它能够从氢气和氧气中获取电能。由于氢气在 自然界不能自由地得到，在随后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃料，但均 未获得成功。1 8 6 6 年，s i e m e n s 发现了机电效应。这一发现推动了发电机的发 展，并使燃料电池技术黯然失色。直到2 0 世纪6 0 年代，宇宙飞行的发展，才使 燃料电池技术重又提到议事日程 上来f 2 】。出于保护环境的能源供应 的需求，激发了人们对燃料电池 技术的兴趣。 图1 - 1p e m f c 工作原理 阳极： h 2 寸2 h + + 2 p 阴极：1 2 a + 2 h + + 2 e 一一h ，o 1 电池总反应：h 2 + 圭0 2 一h 2 0 z p e m f c 被认为是继蒸汽机 和内燃机之后的具有能源革命意 义的新一代能源动力系统。国际 能源界普遍认为：氢能是一种可 持续发展的能源，氢燃料电池对 解决目前世界面临的“能源短缺”和“环境污染”这两大难题有重要意义。随着 氢燃料电池的逐步普及应用，人类将从目前使用碳氢燃料逐步转向使用氢燃料， 从而告别化石能源而进入氢能经济时代。专家们预言：2 l 世纪将是氢能世纪j 。 燃料电池是一种化学电池，由于它的工作物质主要是可燃性气体氢，因 而它被称为燃料电池。它利用物质发生化学反应时释放的能量，直接将其变换为 电能。具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。它由正极、 负极和夹在正负极中间的电解质板组成。住工作时向负极供给燃料( 氢) ，向正极 供给氧化剂( 空气) 。氢在负极分解成正离子何+ 和电予e 一。氢离子进入电解液中， 而电子则沿着外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空 气中的氧气同电解液中的氢离子吸收抵达f 极上的电子形成水。这丁f 是水的电解 第一章绪论 反应的逆过程。 追溯1 5 0 年前，燃料电池就有提出，但只是近二三十年来，科学家们才集中 力量对它进行了研究。科学家们选用不同类型的电解质、不同材料和形状的电极， 不同种类的氧化剂，设计了不同结构的燃料电池。现在推出的燃料电池，按所用 电解质材料来分共有五种类型：碱溶液型( a f c ) 、磷酸型( ? a f c ) 、溶化碳酸盐型 ( m c f c ) 、固体氧化物型( s o f c ) 、质子交换膜型( p e m f c ) 燃料电池。燃料电池的工 作温度是不同的，把碱性燃料电池( a f c ，工作温度为1 0 0 c ) 、固体高分子型质子 膜燃料电池( p e m f c ，也称为质子膜燃料电池，工作温度为1 0 0 以内) 和磷酸型燃 料电池( p a f c ，工作温度为2 0 0 ) 称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池 ( m c f c ，工作温度为6 5 0 。c ) 和固体氧化型燃料电池( s o f c ，工作温度为1 0 0 0 ) 称 为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的 燃料电池。 熔融碳酸盐型固体氧化物型质子交换膜型 类型 磷酸型0 e a f c ) 0 4 c f c )侣o f c )0 e e i v t f c ) 煤气、天然气、甲煤气、天然气、甲煤气、天然气、甲醇 燃料 纯h 2 、天然气 醇等醇等等 电解质磷酸水溶液 k l i c 0 3 溶盐z r 0 2 - y 2 0 3 ( y s z )离子( n a 离子) 多孔质石墨f p t 催多孔质镍( 不要p tn i - z r 0 2 金属陶瓷 多孔质石墨n i ( p t 电 阳极 化剂1 催化剂1( 不要p 【催化剂) 催化剂1 极含p t 催化剂+ 多多孔质石墨或 阴极 多孔n i o ( 掺锂)l a x s r l - x m n ( c o ) 0 3 孔质石墨+ t e f l o n n i ( p t 催化剂) 工作温度 2 0 0 - 一6 5 0 8 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 表1 1 燃料电池的分类 碱溶液型燃料电池。这是早期开发的产品。它用碱性液体做电解质，工 作温度是室温。2 0 世纪6 0 7 0 年代时，美国曾多次将这种类型的燃料电池用到航 天器上。1 9 8 4 年日本根据他们的新能源计划“月光计划”研制出1 千瓦级的 碱溶液型燃料电池。但由于这类电池的功率小，后来就没有发展下去。 磷酸型燃料电池。磷酸燃料电池( p a f c ) 电解质采用磷酸h 。p o 。，磷酸化学 稳定性好且容易得到，利用磷酸的燃料电池j ：作温度适中( 2 0 0 左右) 。它以磷 酸水溶液作为电解质，发电效率达4 0 5 0 。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，在美国和h 本已有产品进入市场。磷酸 燃料电池( p a f c ) 是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。 端化碳酸盐型燃料电池。熔融碳酸盐型燃料电池( m c f c ) 的电解质为碳酸 盐1 i 。c 0 。一k ：c 0 ，以氧气为燃料，氧气为氧化剂，负荷电流密度1 5 0 m a c m 2 ，单个 电池电压达；牵f j 0 7 5 0 8 5 v 。工作温度高至6 5 0 左右，不需要低温电池必须的铂 第一章绪论 系催化剂，而且对燃料的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。商1 作温 度加速了化学反应速度，减少了极化损失，效率提高n 5 5 一5 8 ，不仪可以直接 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。高 温度的排放气体可用来进行热电联产或与汽轮机联合循环，总效率更l 叮达7 0 及 更高。所阻设备比p a f c 型相对简单，价格也有优势。m c f c 型燃料电池的商业化比 p a f c 型晚近1 0 年，要解决的关键是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗 漏问题。 固体氧化物型燃料电池。固体氧化物燃料电池( s o f c ) 使用高温下成为氧 离子导体的陶瓷( 氧化锆系等) 为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也 没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题，所以避免了许多麻烦，维修费用 也大为降低。工作温度9 0 0 一1 0 0 0 ，具有效率高( 5 0 一6 5 ) 、出力密度大、结 构简单、寿命长等优点，可用于替代大型火电。固体电解质型燃料电池放出的余 热也能加热水或蒸汽，或向其它工序供热，也可用于二次发电，因此，它可用于 建造热电联供系统。美国威斯汀豪斯公司制造的产品可连续工作5 万1 0 万小时， 已达到了实用水平。缺点是必须有能适应高温的材料和较高的制造技术。 质子交换膜型燃料电池。这是一种问世不久的燃料电池，质子交换膜燃 料电池( p e m f c ) 也称为固体聚合物( 有机膜) 电解质燃料电池，相对于其它几种燃 料电池发展较迟。工作温度5 0 。c1 0 0 ，启动快，固体有机膜的电解质不怕震动。 电池阳极产生的+ 能够穿过高分子膜到达阴极，并在那里被还原。实际应用效 率可达8 0 队卜- ，具有高比能量和比功率及低温快速启动等特点，便于小型化、 轻量化，适合作为可移动式电源使用。和其它几种燃料电池相比，质子交换膜燃 料电池热效率最高，排放物只有水，噪声和振动很小，功率密度高，反应温度低， 启动快，足最有町能替代内燃机的候选汽车动力源。 燃料电池的工作原理与普通电化学电池之间存在较大差别：普通电池是将化 学能储存在电池内部的化学物质中，它只是一个有限的电能输出和储存装置；而 燃料电池的燃料和氧化剂则是储存在电池外的储罐中。燃料电池发电h 寸，需要连 续小断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也排出一定的废热， 以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率的大小，其储存的能 量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。从这个意义上说，燃料电池是一 个氧氧发电装置，这也正是燃料电池与普通电池最大的区别。 实际上，p e m f c 是一个系统。独市的燃料电池堆是小能应用于汽车的。除 p e m f c 电池组之外，整个系统还包括一个燃料及其循环系统、氧化剂及其循环 系统、水热管理系统和一个能控制各类丌天和泵的控制系统1 2 ”。 燃料及其循环系统和氧化剂及其循环系统丰要是向p e m f c 提供燃料和氧 化剂，并循坏回收未完全反应的。i 体：水热管理系统主要用来保证电池内部的 第一章绪论 水平衡和热平衡状态：控制系统则按负载对电池功率的要求，或随电池工作条件 ( 压力、温度、电压等) 的变化，对反应气体的流量、压力、水热循环系统的水 流速等进行控制，以保证电池正常有效地运行。 燃料及其循环系统。p e m f c 的燃料町选用纯氢或碳氢化合物，如果电池以 纯氢为燃料，则系统结构相对简单，仅由氢源、稳压阀和循环回路组成，其中氢 源可以采用压缩氢、液氢或金属氢化物储氢；稳压阀控制燃料氢气的压力：循环 回路用以循环利用过量的燃料气，燃料气的过量方面是为了保证电化学反应的 充分进行，另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用，通常是采用一个循环泵 或喷射泵将这部分氢送回到电池燃料气的入口处，在这种情况下，可认为由氢源 系统所提供的氢1 0 0 被用来发电。如果p e m f c 以碳氢化合物为燃料，则该系 统结构要相对复杂得多，其中至少要包括一个燃料处理器，用来将燃料或燃料与 水的混合物转换成蒸气，这类转换气中包括人部分氢、二氧化碳、水和微量的一 氧化碳。另外，随燃料处理器的不同，转换气巾可能还会含有氮气。必须指出的 是，在任何p e m f c 系统中，转换气中的隋性气体和其它气体都将在不同程度上 影响电池的性能。由于p e m f c 的工作温度通常在1 0 0 以下，在典型的p e m f c 系统中，c o 很容易吸附在铂催化剂上，引起催化剂中毒，导致电池性能下降。 冈而，一般必须将转换气中的c o 浓度控制在l o o 1 0 1 以下，这川通过一个转 换器或一个选择氧化器来实现。 氧化剂及其循环系统。p e m f c 的氧化剂可以是纯氧或空气，若以纯氧作氧 化剂，其系统组成和控制与纯氢作燃料气相类似。然而，从实用化和商业化的角 度来考虑，p e m f c 均采用空气作氧化剂，其中对应于不同的应用需要，空气可 以是常压，电可以是压缩的。通常，采用常压空气作氧化剂，可简化电池系统的 结构。考虑到电池性能随氧压力的增大而升高，因而在获得同等电池性能的前提 下，采用常压空气作氧化剂的p e m f c 系统必须具有较大的尺寸和更高的制造成 本。采用常压空气带来的另外一个问题是增加了电池系统水热管理的难度，这 种缺点对小型低功率电池系统的影响并不十分明显，但对大型商用电源来说，其 负面影响不叮忽视。正是由于上述原因，在p e m f c 的众多应用中，均采用压缩 空气作氧化剂，尽管这样增大了氧化剂及其循环系统的复杂性。通常，这样一个 系统都包含一个由p e m f c 驱动的压缩机和一个可以从排放气c 1 回收部分能量 的涡轮热膨胀器。般来说，采用何种形式的氧化剂，取决于特定应用场合下系 统效率、重量及制造成本之间的平衡。 水，热管理系统。水热管理系统是以压缩空气为氧化剂的p e m f c 所采用的 典型的水热管理系统，大部分的反应物水随着过量的空气流从阴极排出。通常， 氧化剂的流量是p e m f c 发生反应所需化学计量流量的2 倍。由于p e m f c 的最佳 工作温度为7 0 。c 9 0 ，反应产物均以液态形式存在，易于收集，因而相对其它 第一章绪论 类型的燃料电池而言( 如磷酸型燃料电池) ，p e m f c 的水管理系统更为简单。另 外，在其它的一些系统中，反应产物水也可由阳极排出。在多数p e m f c 系统巾， 反应产物水被用于系统的冷却和部分用来加湿燃料气和氧化剂，产物水首先通过 燃料电池堆的反应区冷却电堆本身，在冷却的过程中水蒸气被加热至燃料电池的 。l i 作温度，被加热的水再与反应气体接触，起到增湿的效果。除了在增湿过程中， 部分热量被反应气体带走，还需要一个进一步的热交换过程，将水中多余的热量 带走，防j i ：p e m f c 系统热量逐渐积累，造成电池温度上升，性能下降。这些热 交换过程足采用一个水空气热交换器来完成，当然在些特殊的p e m f c 系统 中，这部分过多的热量也叮用作空调( 加热) 和饮用热水来使用。 控制系统。p e m f c 系统是一个由众多子系统组成的复杂系统，系统中的每一 部分既相互独立，又互相联系，任一部分工作失常都将直接影响电池性能。为保 证整个系统可靠运行，需要多种功能不同的控制阀、传感器和水、热、气调节控 制装置，由这些控制装置及其相应的管路组成的系统很大程度卜决定p e m f c 系 统的实用性。 1 2 2 燃料电池技术的发展概况、特点与应用 1 8 3 9 年英国的w g r o v e 在实验室里验证了燃料电池的工作原理。但直到1 9 3 9 年苏格兰的f t b a c o n 才第一次用k o h 水溶液制造出了燃料电池，工作温度1 0 0 ，电池电压o 8 9 v ，电流密度1 3 m a c m 2 。以后美国联合技术公司( u t c ) 购买 b a c o n 的号利，率先丌发燃料电池技术，并于1 9 8 4 年成立国际燃料电池公司 ( 1 f c ) f 2 5 】。 燃料电池技术最初的应用开始于本世纪6 0 年代的航天技术上。采用碱性电 池a f c ，但由于其应用条件较苛刻，必须使用纯氢和纯氧且微量的c 0 2 即令电 解质变质，随后丌发了磷酸型燃料电池p a f c 。p a f c 是目前技术最成熟商业化 应用最广泛的燃料电池，价格己降低至1 5 0 0 美圆瓜w ，美f _ 1 欧等国投入运行的 p a f c 型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂( 1 1 m w ) 。 p a f c 的缺点是它需要贵重金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重 整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用和占地。因此，七十年代 术丌始丌发被称为第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池( m c f c ) 。m c f cl ：作于高 温6 0 0 7 0 0 下，燃料的重整存内部进行从而提高了效率降低了成本，呵用于 大规模发电。目前有2 m w 级验证电站丁1 9 9 6 年开始在美国s a n t ac l a r a 运行， 其建设周期仅2 月，占地4 0 0 m 2 ，距厂房9 米处噪音低于6 0 分贝，发电效率5 3 7 ， 燃料使用天然气和液化气，单位造价1 7 0 0 美圆k w 。 同体电解质型燃料电池s o f c 被列为第三代燃料电池。具有高效率寿命长的 优点，目前f 进行k w 级的试验工作。 质了交换膜燃料电池( p e m f c ) 是近几年研究最广泛、技术发展最为迅速的燃 第一章绪论 料电池。由于电解质采用高分予膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势， 最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大b a l l a r d 公司在l9 9 4 年研制 出可载7 5 人的p e m f c 型电动客车，连续行驶里程超过4 0 0 公罩。 目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在投巨资研究开发燃料电池发电技 术。美国政府及众多仓业每年投资达数亿美圆，以u t c 及其派生出的i f c 技术 最为先进，i f c 和日本东芝公司于1 9 9 0 年成立的o n s i 公司生产的p c 2 5 型设 备应用最广，产品遍布美r 欧。日本的富上电机、东芝公司、三菱电机等公司在 政府支持下，自六十年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的电 站仅p a f c 型即超过1 0 0 座，装机3 0 m w 以上。欧洲各国，加拿大，韩国等国 家南政府和企业界合作，也在燃料电池研究与应用上取得诸多进展。 由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火 力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换 的损失，能量转换不受卡诺循环的限制。它主要具有以下几个优点1 1 8 l ： 1 ) 燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理 论效率在9 0 以上，应用中冈电解质的电阻以及阴阳极的化学反应阻力，实际效 率也均在5 0 以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃料电池的 总效率可达到8 0 以上。 2 ) 燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧，c 0 2 的 排放量比常规火电减少4 0 一6 0 ，s o x 和n o x 的排放量更低，比火电减少9 0 以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在已建 燃料电池电厂外9 米处的噪音仅为6 0 d b 。 3 ) 设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人揲作。燃料电池过载运 行或欠载运行都能承受而效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建 在终端用户附近，没有庞人的输配电网络，供电可靠性高。同时节约大量的输配 电设备费用并减少损耗。 4 ) 燃料来源广、建设工期短、使用方便。由于是组件化设计，建厂时| 、日很 短( 平均仅需2 个月左右) 。电厂不需大量冷水，占地面积极小( 几十平方米即可) ， 加上无污染无噪音，选址几乎没有任何限制。可用来发电的燃料种类众多，甲醇、 煤7i 、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等均可。 同时，它还具有以下一些特点： 夺不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率； 夺不管装置规模大小均能保持高发电效率： 夺具有很强的过负载能力： 夺通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛： 夺发电出力电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大； 第一章绪论 夺电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式： 夺用天然气和煤气等为燃料时，n o ，及s o x 等排出量少，环境相容性优。 以上这些突出的特点- 叮以看出，燃料电池是一种高效洁净方便的发电装置， 非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的 政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其成本价格会迅速降低，民用 市场的前景也将十分广阔。 p e m f c 的应用十分广泛，主要应用领域可分为以下三大类【2 j ： 一用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、4 i 间断电源等， 适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、会融市场、医院及娱 乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。 p e m f c 电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，p e m f c 手机 电池的连续待机时间可达1 0 0 0 小时，一次填充燃料的通话时问可达1 0 0 小时( 摩 托罗拉) 。适用于便携计算机等便携电子设备的p e m f c 电源的功率范围大致在 数十瓦至数百瓦( 东芝) 。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯 车用的车载p e m f c 电源的功率一傲为数千瓦级。 二可用作自行车、助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通= 【一具的动力， 以满足环保对车辆船舶排放的要求。 图l - 2 不同功率p e m f c 动力应用系统 p e m f c 的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高( 体积较小) 。因此， 很适于用作新一代交通上具动力。这是项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造 成石油消耗和环境污染的首要原囚，因此，1 址界各大汽车集团竞相投入巨资，研 究丌发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，p e m f c 是技术最成熟的 电动车动力源，p e m f c 电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。p e m f c 可以实 现零排放或低排放；具输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度更 高，川达1 4 k w 公斤或1 6 k w 升。 第一章绪论 用作电动自行车、助动车和摩托车动力的p e m f c 系统，其功率范围分别是 3 0 0 5 0 0 w 、5 0 0 w 2 k w 、2 - 1 0 k w 。游览车、城市- 工程车、小轿车等轻型车辆用 的p e m f c 动力系统的功率般为1 0 - 6 0 k w 。公交车的功率则需要15 0 2 0 0 k w 。 三可用作分散型电站。p e m f c 电站可以与电网供电系统共用，主要用于 调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或 新开发地区电站。 与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：( a ) n 省去电网线路及配 电调度控制系统；( b ) 有利于热电联供( 由丁p e m f c 电站无噪声，可以就近安装， p e m f c 发电所产生的热可以进入供热系统) ，可使燃料总利用率高达8 0 以卜； ( c ) 受战争和自然灾害等的影响比较小：( d ) 通过天然气、煤气重整制氢，使得可 利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为p e m f c 提供燃料，通过生物制氨、 太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统( 这种循环系统特别适用于广大的农 村地区和边远地区) ，使系统建设成本和运行成本大大降低。因此，p e m f c 电站 的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分 敝型电站将是一个趋势。 1 2 3 燃料电池反应堆的研究发展现状 燃料电池应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环境保护及经济 的可持续发展均有重要意义。 我困的燃料电池研究扦展较早，始于1 9 5 8 年，原电子工业部天津电源研究 所最早开展了m c f c 的研究。7 0 年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研 究曾呈现m 第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类 刑的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统( 千瓦缎a f c ) 均通过了例行的航天环境模 拟试验。】9 9 0 年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院p e m f c 的研究任 务，1 9 9 3 年开始进j 亍直接甲醇质子交换膜燃料电池( d m f c ) 的研究。电力工业部 哈尔滨电站成套设备研究所于1 9 9 1 年研制山由7 个单电池组成的m c f c 原理性 电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、卜海硅酸盐研究所、化一】：冶 金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与s o f c 的有关研究。到9 0 年代 中期，由于罔家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻火计划的推 动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点， 以大连化学物理研究所为牵头币f t ，在中幽全面开展了质子交换膜燃料电池的电 池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1 k w - 2 k w 、5 k w 和2 5 k w 电 池组与电池系统。5 k w 电池组包括内增湿部分其重量比功率为1 0 0 w k g ，体积 比功率为3 0 0 w l 1 2 5 】。 我田最早丌展p e m f c 研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1 9 9 0 年 存中科院扶持下开始研究p e m f c ，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和 9 第一章绪论 甲醇外重整器的研制，已制造出1 0 0 wp e m f c 样机。1 9 9 4 年又率先开展直接甲醇 质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国c a s e w e s t e r n r e s e r v e 大学和俄罗斯 氧能与等离子体研究所等建立了长期协作关系【2 i 。 巾国科学院大连化学物理所于1 9 9 3 年开展了p e m f c 的研究在电极工艺和 电池结构方而做了许多工作，现已研制成工作面积为1 4 0 e r a 2 的单体电池，其输 出功率达0 3 5 w c m 。 清华大学核能技术设计院1 9 9 3 年开展了p e m f c 的研究、研制的单体电池在 o 7 v 时输出电流密度为l o o m a c m 2 ，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管 式p e m f c 的设计，该单位已与德围k a r l s m b e 研究中心建立了一定的协作关系。 天津大学于1 9 9 4 年在国家自然科学基金会资助下开展了p e m f c 的研究，主要 研究催化剂和电极的制备工艺。 复旦大学在9 0 年代初开始研制直接甲醇p e m f c ，主要