第9章燃料电池

1、1第九章第九章 燃燃 料料 电电 池池29-1 概概 述述 燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置, ,它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水电、火电和核电之后的第四种发电系统。电、火电和核电之后的第四种发电系统。 效率高效率高 能量转化可高达能量转化可高达80%80%，其中电能，其中电能40 %40 %、热能、热能40 %40 %（火力（火力 发电热效率发电热效率353547 % 47 % 左右，热电厂能量效率左右，热电厂能量效率606070 % 70 % ） 污染小污染小 燃料电池一般仅

2、排出水和二氧化碳燃料电池一般仅排出水和二氧化碳; 燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前，燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前， 100200kW级燃料电池运行噪音为级燃料电池运行噪音为65db，比室内风扇比室内风扇 小，汽油机工作时噪音高达小，汽油机工作时噪音高达100db）；）； 红外信号红外信号 弱。弱。 特特 性性3 输出性能好输出性能好在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时能作出快速响应。能作出快速响应。 发展简史发展简史 1889 1889年英国威廉年英国威廉格罗夫（格罗夫（GrovGrov）发明燃料电池，发明燃料电池

3、，点点 燃伦敦讲演厅的照明灯；燃伦敦讲演厅的照明灯； 1889 1889年年MoodMood和和LangerLanger首先采用首先采用“燃料电池燃料电池”的名称，的名称，并并 获得获得200200mA/mmA/m2 2; ; 发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动 力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟 了近了近1 1个世纪；个世纪； 20 20世纪世纪5050年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大 学的学的BaconBacon用高压氢氧制成具有实用功率水

4、平的燃料用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料 电池；电池；4 20 20世纪世纪6060年代燃料电池成功为年代燃料电池成功为“双子星座双子星座”和和“阿波阿波罗罗” 飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域；飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域； 1991 1991年日本东京电力公司建成年日本东京电力公司建成1212MWMW燃料电池电站，燃料电池电站，使磷酸型燃料电池进入实用化阶段；使磷酸型燃料电池进入实用化阶段； 20 20世纪世纪9090年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得 突破性进展，在宇航、汽车、军用移动电源、民用便突破性进展，在宇航、汽

5、车、军用移动电源、民用便 携式电源和城携式电源和城 市洁净电站等方面发展很快，十年内市洁净电站等方面发展很快，十年内 装备这种电源的汽车将装备这种电源的汽车将 大量上路。大量上路。 我国我国19581958年中科院长春应用化学所对燃料电池进行年中科院长春应用化学所对燃料电池进行研究研究19761976年有应用实例。目前我国已有年有应用实例。目前我国已有2020多个单位进多个单位进行各类燃料电池的研发。行各类燃料电池的研发。5一、工作原理一、工作原理在阳极上在阳极上eOHOHH22222在阴极上在阴极上OHeOOH222122总反应总反应OHOH22221eWHQ反应物与生成物在经过燃料电池时的

6、总焓差反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差 燃料电池提供的电功燃料电池提供的电功 燃料电池反应热燃料电池反应热 9-2 燃料电池燃料电池工作原理工作原理6二、燃料电池的电动势基本方程式二、燃料电池的电动势基本方程式 假定假定:燃料电池内的反应燃料电池内的反应 反应热与有用功相比很小反应热与有用功相比很小 ； 为室温下可逆定压反应为室温下可逆定压反应 ,max121212()uWGGHHT SS,maxueW燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功 据自由焓的概念，系统在初终态间完成最大有用功量 电动势电动势 流过电池的电流密度流过电池的电流密度 121

7、221()eGGHHT SS12eppGGTT求导求导pGST 21epSST21peSST幻灯片 11幻灯片 167121221()eGGHHT SS12eepHHTT12peHHTT21epSST燃料电动势的基本方程式燃料电动势的基本方程式 三、燃料电池的热量三、燃料电池的热量 取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境介质）为系统，则系统的总熵变为介质）为系统，则系统的总熵变为)()(1212SSSSS环境介质的熵变化量环境介质的熵变化量 燃料电池的熵变化量燃料电池的熵变化量 )(12SS= TQoTT 外界环境温度外界环境温度 因电

8、池内过程可逆，若外界与电池温度相等因电池内过程可逆，若外界与电池温度相等 0幻灯片 112004-11-20821()SS)(12SS 21()QSST rev21QSST21epSSTrev21epQSSTT12eepHHTT)(1221SSTHHerev12QHHTT,maxuW2121()()0SSSSS 燃料电池与环境交换热量：燃料电池与环境交换热量：0pT0pTS2S1 rev0Q 电池从外界吸收热量，电池从外界吸收热量，电池在电池在闭合的电回路中所完成有用功，闭合的电回路中所完成有用功，包括了电池内反应物系的包括了电池内反应物系的-h，和外界传入的热量。和外界传入的热量。 电池放热

9、，电池内反应物系焓电池放热，电池内反应物系焓的减少量的减少量-h中一部分以热量形中一部分以热量形式传给了外界。式传给了外界。S2S1 rev0Q 9四、燃料电池的有效效率四、燃料电池的有效效率 eeWH燃料电池有效效率燃料电池有效效率 电功电功 ，即实际产生的有用功，即实际产生的有用功 定压定温定压定温反应物的反应物的焓差；焓差；定容定温定容定温反应物的热力学能差值反应物的热力学能差值电池理论最大有用功电池理论最大有用功 ,maxuWetJ实际有用功量实际有用功量 eeWU J工作电池的端电压工作电池的端电压 ,max,maxueeuWWH W=u,maxetWU JHJ=,maxuetWUJ

10、HJ=tVi u,maxtWHeVUitJJ燃料电池热效率，在燃料电燃料电池热效率，在燃料电池进行可逆反应时即是电池池进行可逆反应时即是电池总效率总效率 燃料电池相对内效率，又称燃料电池相对内效率，又称为电池电压效率，与燃料电为电池电压效率，与燃料电池工作不可逆程度有关，当池工作不可逆程度有关，当过程完全可逆时过程完全可逆时=1=1； 电池电流效率，其原因在于电池电流效率，其原因在于反应物的非电化学分解以及反应物的非电化学分解以及反应的机械损失等反应的机械损失等 有效效率有效效率理论电流10燃料电池热效率燃料电池热效率u,maxtWH,max12()uWHT SS ,max12t()1uWT

11、SSHH 若全部过程为可逆若全部过程为可逆 rev21QSSTrevt1QH 讨论：讨论： 选择燃料电池工况，应使选择燃料电池工况，应使 ，也即使，也即使 的绝对值最小。的绝对值最小。 与反应物的性质有关，在给定的外部条件时应选择使热与反应物的性质有关，在给定的外部条件时应选择使热效率达到最大值的物质作为反应物。效率达到最大值的物质作为反应物。（1）rev0Q 燃料电池从外界吸热燃料电池从外界吸热t1rev0Q 燃料电池向外界放热燃料电池向外界放热t1燃料电池的热效燃料电池的热效率不受卡诺循环率不受卡诺循环效率的限制效率的限制revQpTrevQ（2）燃料电池内部的不可逆性，部分能量转换成无效

12、热，使燃燃料电池内部的不可逆性，部分能量转换成无效热，使燃料电池有效效率相应地降低，这时，实际效率料电池有效效率相应地降低，这时，实际效率eeWHtQWH由外界环境传给电由外界环境传给电池的实际热量池的实际热量 1QH 11五、燃料电池热效率与温度的关系五、燃料电池热效率与温度的关系燃料电池热效率燃料电池热效率和电动势都随温度和电动势都随温度而变；而变；都有极大值点都有极大值点 0pT电动势达极大值电动势达极大值据基本方程据基本方程 12maxeHH幻灯片幻灯片 7210peSST幻灯片幻灯片 6据据等熵等熵rev0Q T=Tm t1T Tm 0pTrev0Q t1结论：结论： T=Tm，电动

13、势达最大值，电动势达最大值， 但其热效率并未达最大值；但其热效率并未达最大值； TTTTo o（T To o为环境温度）；为环境温度）；（4 4）电池内进行等温等压完全化学反应；）电池内进行等温等压完全化学反应；（5 5）忽略浓度差极化过电位，只考虑电极的电化学极化，）忽略浓度差极化过电位，只考虑电极的电化学极化， 由由TafelTafel公式，阴极和阳极过电位公式，阴极和阳极过电位 假设：假设：0(/)ln( /)ccRT n FI A i0(/)ln( /)aaRT n FI A i通用气体常数通用气体常数 法拉第常数法拉第常数 电流电流 交换电流密度交换电流密度 阴极面积阴极面积 阳极面

14、积阳极面积燃料每个分子释放的电子数燃料每个分子释放的电子数 （氢氧燃料电池（氢氧燃料电池n=2 2） 传递系数传递系数+ +=1=1 14阴极和阳极的过电位之和阴极和阳极的过电位之和0ln( /)cacTI Ai常数常数 为方便起见，取为方便起见，取A Ac=Aa=A （6 6）燃料电池的温度系数为负值。即温度升高，电动势减小，）燃料电池的温度系数为负值。即温度升高，电动势减小， 电池工作时，向环境等温放热。实验表明：电池电动势与电池工作时，向环境等温放热。实验表明：电池电动势与 工作温度有以下简单线性关系：工作温度有以下简单线性关系：pbT （b0，是与温度，是与温度T无关常数）无关常数）

15、（7 7）燃料电池的输入，输出口的温度和压力均相同。）燃料电池的输入，输出口的温度和压力均相同。幻灯片 1615燃料电池装置不可逆熵产率燃料电池装置不可逆熵产率 11ioTT 电池与环境热交换引起的熵产率电池与环境热交换引起的熵产率 电池内部不可逆过程引起电池内部不可逆过程引起熵产率，等于电极极化和熵产率，等于电极极化和电解液欧姆电阻熵产率之和电解液欧姆电阻熵产率之和 TRIIii/ )(2电池内阻电池内阻 装置的能量方程装置的能量方程 1231230mmmmmmq HqHqHPHP 质量流量（质量流量（mo1/s） 摩尔焓摩尔焓 输出功率输出功率 下标下标1 1，2 2，3 3分别代表燃料、

16、氧化剂和生成物分别代表燃料、氧化剂和生成物 电池的工作电压电池的工作电压 ()iIR极化过电位极化过电位输出功率输出功率 P= I()iIIIRHP 幻灯片 1616电池系统的最大可逆功等于进出口物系的吉布斯自由焓之差电池系统的最大可逆功等于进出口物系的吉布斯自由焓之差 112233()mmmmmmq Gq Gq GGI 燃料、氧化剂和生成物的摩尔吉布斯自由焓燃料、氧化剂和生成物的摩尔吉布斯自由焓 Gibbs-Helmholz方程方程pGGHTT epIHA TT pGIHTT 12eppGGTTpIHITHITbT pbT 幻灯片 14幻灯片 6单位面单位面积电池积电池PIHP IITbI

17、幻灯片 1511ioTT TRIIii/ )(20ln( /)cacTI Ai联立联立求解求解幻灯片 14000ln( /)1iI cTI AiIRTIbTT17三、电流恒定时燃料电池最佳工作温度三、电流恒定时燃料电池最佳工作温度 000ln( /)1iI cTI AiIRTIbTT由由Arrhenius方程方程 00011lnlniQiiRTT温度为温度为To时的交换电流密度时的交换电流密度 活化能，可近似为是常数活化能，可近似为是常数 电池的欧姆内阻，主要是电解液电电池的欧姆内阻，主要是电解液电阻，电解液摩尔电导与温度关系为阻，电解液摩尔电导与温度关系为001()TT温度为温度为T0时的摩

18、尔电导时的摩尔电导 电导温度系数，电导温度系数，0 0 Ri与温度关系为与温度关系为001()iRRTT温度为温度为T0时电池内阻时电池内阻 0I1 201001lnIRTTacIf T0lnabciiQcfR189-5 燃料电池运行经济分析燃料电池运行经济分析燃料电池有效效率燃料电池有效效率 e tVi 燃料电池运燃料电池运行行经济分析包括三部分经济分析包括三部分： 1 1、固定资本费用、固定资本费用R（1 1）用于设备的厂房方面的资本利息；）用于设备的厂房方面的资本利息；（2 2）设备折旧费；）设备折旧费；（3 3）清偿安装费和用于此项目的设计和）清偿安装费和用于此项目的设计和 研究费；研

19、究费；（4 4）保险费；）保险费；（5 5）各种相关各种相关税税金金；（6 6）其他其他。 特征：特征： 费用是费用是相对相对恒定的，一般不会年年改变恒定的，一般不会年年改变； 与装置的输出功率无关。与装置的输出功率无关。以最大功率以最大功率Pmax工作工作时：时：max(1/ )CxLR每单位最大每单位最大功率的投资功率的投资 电池装置电池装置使用寿命使用寿命 已投资金已投资金额的利率额的利率 一年中电池一年中电池工作时间所工作时间所占的占的比例比例。 单位单位：元元/ /千瓦千瓦小时小时 192 2、固定生产费用、固定生产费用F3 3、比例生产费用、比例生产费用K（1 1）维修和操作人员的

20、工资；）维修和操作人员的工资；（2 2）供维修用的消耗物资；）供维修用的消耗物资；（3 3）供维修（不是供生产）用燃料。）供维修（不是供生产）用燃料。 本质上仅指消耗掉的燃料本质上仅指消耗掉的燃料、氧化剂的费用，还可能包括生产氧化剂的费用，还可能包括生产最高功率所需的任何附加费用。最高功率所需的任何附加费用。特征：特征： 这些费用这些费用，包括动力设备的维修费，包括动力设备的维修费，不管是否已经不管是否已经装置装置启用启用，是必须支出的，是必须支出的。 F等于单位时间内整个等于单位时间内整个装置的运行的费用除以装置的运行的费用除以所生产的最大功率所生产的最大功率Pmax。 由二部分组成：由二部

21、分组成： 固定费用和取决于电池固定费用和取决于电池 使用程度的维修费用使用程度的维修费用。 fuelCKE燃料的单价燃料的单价 以最大功率运行时的能量效率以最大功率运行时的能量效率 以最大功率运行时的能量效率以最大功率运行时的能量效率 单位单位：元元/ /千瓦千瓦小时小时 20若若装置不是以最大功率工作装置不是以最大功率工作 pracmaxPfP实际功率实际功率 负载系数在，负载系数在，0.10.7之间之间 总费用总费用 C=R+F+K=F+ fWLxc)/1(max+fuelEc当负载系数当负载系数 f 为某一特定值时，总费用为某一特定值时，总费用C 有一最小值。有一最小值。 21 9-5

22、各类燃料电池各类燃料电池简介简介主要类型主要类型按电解质不同分为五类：按电解质不同分为五类：AFC碱性燃料电池；碱性燃料电池；PAFC磷酸燃料电池；磷酸燃料电池；MCFC熔融碳酸盐燃料熔融碳酸盐燃料 电池；电池；SOFC固体氧化物燃料固体氧化物燃料 电池；电池；PEMFC质子交换膜燃质子交换膜燃 料电池料电池22质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池由若干但电池串联而成，由若干但电池串联而成，电解质为固体聚合物电解质为固体聚合物阳极反应阳极反应eHH222阴极反应阴极反应OHeHO222221电池总反应电池总反应OHOH2222123 PEMFC的优点的优点工艺结构简单，开发投入相对较少；工艺结构简单，开发投入相对较少；2. 2. 可在室温下快速启动投入运行可在室温下快速启动投入运行；3. 3. 不使用腐蚀性电解液，安全可靠；不使用腐蚀性电解液，安全可靠；4. 4.