第12章 燃料电池发电技术

1、成都理工大学工程技术学院成都理工大学工程技术学院 自动化工程系电气教研室自动化工程系电气教研室 雷永锋雷永锋 1 燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备 燃料电池的基本反应 步骤： 1:反应物向燃料电池 内部传递 2:电化学反应 3:离子传导以及电子 传导 4:产物排出 燃料电池基本原理 2 燃料电池的燃料处理系统 水蒸气水蒸气 发生器发生器 燃料燃料 脱脱 硫硫 器器 重重 整整 器器 co 转化转化 器器 co 去除器去除器 重重 h2：72% 整整 co2：20% 气气 co：100ppm 氧气氧气 燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍 脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用

2、氢气与硫反应来脱硫 重整器：在高温下(700 )与催化剂反应得到以氢为主的重整气 转化器：co+h2o h2+co2（300 400 ） 去除器：co+o2 co2（150 200 ） 燃料处理系统 3 燃料电池特性良好的环境相容性 不同发电厂排气的比较（不同发电厂排气的比较（kg/10kg/106 6 kwkw h h） 不同发电装置的噪声比较不同发电装置的噪声比较 排气中污染物天然气火力发电石油火力发电煤火力发电磷酸燃料电池 二氧化硫2.52304 55010 9008 20014 50000.12 氮氧化物1 8003 2003 20063107 烃 类201 2701255 00030

3、10 00014102 粉 尘0904532036558000.014 source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009 4 燃料电池特性灵活可靠的输出性能 燃料电池工作时将燃料储存的能量一半转化为电，另 一半转化为热。 各种发电方式在不同规模时的效率 source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009 5 燃料电池的优点 燃料电池独特的优点 转换效率高，可达转换效率高，可达60%60% 没有运转部件，噪音小没有运转部件，噪音小 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大 尺寸相仿的效率尺寸相仿的效率 若以氢为燃料，排放是水，可实现若以氢

4、为燃料，排放是水，可实现“零排放零排放” 6 各种类型燃料电池的比较 选项sofc (固体氧化物) mcfc (熔融碳酸型) afc (碱液型) pafc (磷酸型) pemfc (质子交换膜) 优点优点 燃料适应性燃料适应性 广广 采用非贵金采用非贵金 属作为催化剂属作为催化剂 高品位余热高品位余热 可用于热电联可用于热电联 供供 固体电解质固体电解质 较高的功率较高的功率 密度密度 燃料适应性燃料适应性 广广 使用非贵金使用非贵金 属催化剂属催化剂 高品位余热高品位余热 可用于热电联可用于热电联 供供 阴极性能得到阴极性能得到 改善改善 可以不使用贵可以不使用贵 金属作为催化剂金属作为催化

5、剂 材料成本低，材料成本低， 电解质成本非常电解质成本非常 低廉低廉 电解质价廉，电解质价廉， 使用酸性的电解使用酸性的电解 液液 能够直接使用能够直接使用 烃类化合物转换烃类化合物转换 的含有的含有co2的富的富 氢气体作为燃料氢气体作为燃料 技术成熟可靠技术成熟可靠 性高，长期运行性高，长期运行 性能好性能好 所有燃料电池所有燃料电池 中功率密度最高中功率密度最高 较好的起停能较好的起停能 力力 低操作温度使低操作温度使 其更适应便携式其更适应便携式 应用。应用。 缺点缺点 材料在高温材料在高温 下运行会产生下运行会产生 一系列问题一系列问题 密封问题密封问题 电池部件制电池部件制 造成本

6、高造成本高 co2必须再循必须再循 环环 熔融碳酸盐熔融碳酸盐 电解质具有腐电解质具有腐 蚀性蚀性 退化退化/寿命问寿命问 题题 材料昂贵材料昂贵 必须使用纯的必须使用纯的 h2和和o2 需周期性地更需周期性地更 换换koh电解质电解质 必须从阳极及必须从阳极及 时除水时除水 电解质容易电解质容易 co2中毒中毒 效率只有效率只有40% 启动时间长启动时间长 铂催化剂昂贵铂催化剂昂贵 对对co和和s中毒中毒 敏感敏感 电解质是有腐电解质是有腐 蚀性的液体，运蚀性的液体，运 行时必须及时补行时必须及时补 充电解质充电解质 采用昂贵的铂采用昂贵的铂 催化剂催化剂 聚合物膜和辅聚合物膜和辅 助组件昂

7、贵助组件昂贵 经常需要水管经常需要水管 理理 非常差的非常差的co和和 s容许度容许度 source: 蔡宁生, 燃料电池发电技术基础,清华大学, 2007 7 部分燃料电池产品 mtu 250kw mcfc in magdeburgmtu 250kw mcfc in magdeburg siemens westinghouse 250kw sofcsiemens westinghouse 250kw sofc 863-863-燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车我国第一辆我国第一辆pemfcpemfc校园车校园车 source：清华大学清洁能源研究与教育中心，新发电技术调查研究，2008 8 燃

8、料电池本体关键技术 sofcsofc燃料电池本体关键技术燃料电池本体关键技术 电解质研究 阴极材料研究 阳极材料研究 连接体材料研究 密封材料研究 pemfcpemfc燃料电池本体关键技术燃料电池本体关键技术 质子交换膜研究 催化剂及其涂覆技术的研究 mea技术的研究 水平衡和热平衡技术研究 9 燃料电池发电系统关键技术 以以mcfc-mcfc-燃气轮机联合系统为例燃气轮机联合系统为例 燃料的处理问题 联合发电系统中的相容性问题 联合发电系统动态性能的研究 大功率发电系统的设计和装配问题 联合发电系统的协调控系统的开发 10 部分mcfc燃料电池电厂 美国美国fcefce公司公司2004200

9、4年前建成的年前建成的3333座座mcfcmcfc发电装置；发电装置； 美国美国ercerc公司公司20062006年在旧金山建成的年在旧金山建成的250kw mcfc250kw mcfc 电站；电站； 美国美国ercerc公司公司20062006年在加州年在加州santa clarasanta clara建成的建成的2mw 2mw mcfcmcfc电站；电站； 日本三菱重工日本三菱重工20022002年在德国建造的年在德国建造的250kw mcfc250kw mcfc电电 站；站； 日本日本19871987年开发出的年开发出的10kw mcfc10kw mcfc发电装置；发电装置； 日本日本

10、19931993年开发出的年开发出的100kw100kw加压型加压型mcfcmcfc发电装置；发电装置； 日本日本19981998年建造的年建造的1mw1mw先导型先导型mcfcmcfc发电装置；发电装置； 意大利意大利19961996年在米兰投运的年在米兰投运的100kw mcfc100kw mcfc电站；电站； 德国德国m-c rower corporationm-c rower corporation建造的建造的mcfcmcfc电站；电站； 11 部分sofc燃料电池电厂 美国美国westinghousewestinghouse公司公司19981998年前建成年前建成1111套套325k

11、w sofc325kw sofc发电系统；发电系统； 美国美国westinghousewestinghouse公司公司19991999年建成年建成2 2套套100kw100kw管式管式sofcsofc发电系统；发电系统； 德国德国siemens westinghousesiemens westinghouse公司公司20022002年建成年建成220kw sofc-220kw sofc-燃气轮机联燃气轮机联 合发电系统；合发电系统； 德国德国siemens westinghousesiemens westinghouse公司公司20032003年建成年建成250kw sofc250kw sof

12、c示范电厂；示范电厂； 德国德国siemens westinghousesiemens westinghouse公司公司20032003年建成年建成4 4座座5kw sofc5kw sofc电厂；电厂； 日本三菱重工日本三菱重工19911991年成功示范年成功示范1kw sofc1kw sofc电池堆；电池堆； 日本三菱重工日本三菱重工19931993年成功示范新型年成功示范新型1kw sofc1kw sofc电池堆；电池堆； 日本三菱重工日本三菱重工19981998年示范年示范10kw sofc10kw sofc系统；系统； 日本三菱重工日本三菱重工20012001年成功示范年成功示范10k

13、w 10kw 加压管式加压管式sofcsofc发电系统；发电系统； 日本日本jgujgu公司公司19951995年支持示范的年支持示范的25kw sofc25kw sofc发电装置；发电装置； 瑞士瑞士sulzer hexissulzer hexis公司公司20012001年起年起400400套套1kw 1kw 生物质生物质sofcsofc发电系统；发电系统； 美国美国ztekztek公司公司19951995年示范运行年示范运行1kw1kw平板式平板式sofcsofc发电系统；发电系统； 美国美国ztekztek公司公司19981998年示范运行年示范运行25kw25kw平板式平板式sofcs

14、ofc发电系统；发电系统； 中国上海硅酸盐研究所示范的中国上海硅酸盐研究所示范的5kw5kw平板式中温平板式中温sofcsofc电厂；电厂； 中国科学院过程工程所示范的列管式不密封无联接极中国科学院过程工程所示范的列管式不密封无联接极sofcsofc发电系统。发电系统。 12 燃料电池发展的热潮 上世纪上世纪9090年代直到本世纪初，燃料电池得到政府、年代直到本世纪初，燃料电池得到政府、 企业和科研所的大力支持，形成一股热潮。在企业和科研所的大力支持，形成一股热潮。在9797 到到9898年间，各大汽车公司都宣布将在年间，各大汽车公司都宣布将在0303到到0505年年 实现氢能燃料电池的产业化

15、实现氢能燃料电池的产业化 我国跟随着这个热潮，投入大量的人力和物力，我国跟随着这个热潮，投入大量的人力和物力， 进行研究，把氢能燃料电池奉为进行研究，把氢能燃料电池奉为“最高理想最高理想”、 “终极目标终极目标” 十五863重点项目，投入十几个亿 前几年，不少人提出氢能经济，把氢能比作是一前几年，不少人提出氢能经济，把氢能比作是一 个新的能源时代个新的能源时代 13 燃料电池发展的困难 随着人们对燃料电池的认识加深，在研制过程中随着人们对燃料电池的认识加深，在研制过程中 遇到大量的，在相当长时期内无法克服的困难，遇到大量的，在相当长时期内无法克服的困难， 尤其是氢的制备，氢的运输，氢的车载，人

16、们慢尤其是氢的制备，氢的运输，氢的车载，人们慢 慢理性化起来，对它的慢理性化起来，对它的“温度温度”也逐渐下降也逐渐下降 不久以前，作为燃料电池最热烈的鼓吹者不久以前，作为燃料电池最热烈的鼓吹者美美 国，在奥巴马上台以后，能源部长朱棣文宣布停国，在奥巴马上台以后，能源部长朱棣文宣布停 止资助氢能燃料电池项目止资助氢能燃料电池项目 14 限制燃料电池发展的瓶颈 氢气制备氢气制备 氢不是一次能源，而只是一个载能体，必须用其他方法制备氢， 如电解、天然气制氢、煤制氢等。在氢能制备中消耗许多其他的 能源，排放大量二氧化碳，从全生命周期来看，根本不是零排放 能源 有些人把氢燃料电池说成是“from water to water”，这是不 正确的 管道运输管道运输 极易泄露、材料氢脆 存储问题存储问题 高压存储（300600atm）压缩能耗高，不安全 液化存储（-253 ）制冷能耗大 15 限制燃料电池发展的瓶颈 氢能基础设施氢能基础设施 根本不可能组成一个像加油站一样的网络 燃料电池