大工18秋《新能源发电》大作业题目及要求标准答案

大工18秋《新能源发电》大作业题目及要求标准答案

燃料电池是将燃料和氧化剂通过电化学反应转化为电能的一种发电装置。其基本原理是利用燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）在阳极和阴极两端的催化剂的作用下，发生氧化还原反应，产生电子和离子。电子通过外部电路流动，产生电能，而离子则通过电解质膜流动，与反应物在另一端发生反应，生成水等产物。二．燃料电池的种类目前常见的燃料电池包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、碱性燃料电池（AFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）等。其中，PEMFC是应用最广泛的一种燃料电池，主要应用于汽车、船舶、无人机、移动电源等领域。SOFC则具有高效率、低污染等优点，适用于工业领域的大规模发电。三．燃料电池的发展前景燃料电池具有高效率、低污染、可再生等优点，是未来发电的重要方向之一。随着技术的不断进步，燃料电池的成本逐渐降低，性能不断提高，应用范围也在不断拓展。在汽车、家庭、工业等领域，燃料电池都有着广阔的应用前景。同时，燃料电池的发展也将推动可再生能源的利用和能源结构的转型，为可持续发展做出贡献。燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置，其工作原理是通过燃料与电解质的共同接口，将燃料燃烧反应转化为电能。燃料电池有不同的名称，如磷酸型、熔融碳酸盐型、固态氧化物型和质子交换膜型等。以氢氧作为燃料的燃料电池反应示意图如图一所示。在碱性溶液中，正极的反应为1/2O2+H2O+e-->2OH-，负极的反应为H2+2OH-->2H2O+e-，全反应为1/2O2+H2->H2O。为了加速电极反应，通常会在电极中加入催化剂，如铂、铑或铱等。燃料电池的效率相当高，约为60%~90%之间。除了燃料电池本体，还需要辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由电解质板和两侧的燃料极和空气极组成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中，不同的电解质与反应相关的离子种类也不同。例如，PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H）相关。总之，燃料电池是一种高效、环保的能源转换技术，其应用前景广阔。在燃料电池中，燃料气体中的H2会分解成H和e-，H会移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应，而e-则会经由外部的负荷回路再回到空气极侧参与反应。这一系列反应构成了发电过程，其中H2和O2生成的H2O是唯一的反应产物，H2所具有的化学能转变成了电能。然而，在电极反应中存在一定的电阻，会产生热能，从而减少转换成电能的比例。为了获得大的出力，需要采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成，而堆的出力取决于总的电压和电流的乘积，电流与电池中的反应面积成比。PAFC使用浓磷酸水溶液作为电解质，而PEMFC则使用质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，并以Pt作为触媒，燃料气体中的CO对电极性能有负面影响，因此需要限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：将燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，将燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，再经过移位反应器中的触媒剂转化成H2和CO2。处理后的燃料气体进入燃料堆的负极（燃料极），同时将氧输送到燃料堆的正极（空气极）进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对于PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC不需要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，并且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MCFC的主要构成部件包括电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的两块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等。在MCFC的工作温度约为600~700℃时，电解质呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC的工作原理是通过空气极和燃料极的化学反应来产生电能。在空气极，CO2和O2与电结合生成CO23-，而在燃料极，H2和CO23-结合产生H2O和CO2。电子从燃料极释放出来，通过外部回路流回空气极，从而实现了燃料电池的发电。MCFC最大的特点是需要有CO23-离子来促进反应，因此氧化剂气体中必须含有碳酸气体。同时，还可以在电池内部充填触媒，将天然气中的CH4改质成H2，或者直接利用CO作为燃料。SOFC的构成主要由陶瓷材料构成，电解质通常采用ZrO2，电极中燃料极采用Ni和YSZ复合多孔体，空气极采用LaMnO3。SOFC属于高温工作型，因此在内部可以直接将天然气中的CH4改质成H2，并且CO也可以直接作为燃料利用。SOFC的反应式是H2和O2-反应生成H2O和e-，空气极由O2和e-生成O2-，全体反应式同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。燃料电池的构成主要包括燃料部分和氧部分。氢通常以压缩气体存储在氢气桶中，而氧可以从大气中获取或者从压缩氧气桶中提取。如果采用液态燃料，则需要使用适当的容器进行储存。熔融碳酸盐燃料电池的构成部分包括阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板。阳极采用镍、Ni-Cr或Ni-Al合金等作电催化剂，其中加入2%~10%Cr是为了防止烧结，但会增加蠕变。阴极采用氧化镍，但制备过程中会产生膨胀，破坏电池壳体与电解质基体之间的湿密封。改进方法包括在电池外氧化和掺Li，或直接用NiO粉进行烧结，在烧结前掺Li等。电解质基底是MCFC的重要组成部件，具备强度高、耐高温熔盐腐蚀、阻挡气体通过和良好的离子导电性能等特点，其塑性可用于电池的气体密封，防止气体外泄。1.4集流板的作用及材料选择集流板，也称为双极板或隔离板，是一种能够分隔氧化剂和还原剂，并提供气体流动通道的关键组件。同时，它还能起到集流导电的作用。一般采用不锈钢材料(SS316、SS310)制成。在电池工作环境中，阴极侧的不锈钢表面会生成钝化膜，减缓不锈钢的腐蚀速度。SS310不锈钢由于铬镍含量高于SS316，因而具有更好的耐蚀性能。通常来说，阳极侧的腐蚀速度会大于阴极侧，导致接触电阻增大，进而引起电池的欧姆极化加剧。为了减缓阳极侧的腐蚀速度，采取了在该侧镀镍的措施。在MCFC中，为防止湿密封处的腐蚀，双极板的湿密封处通常采用铝涂层进行保护。1.5电池的组装方式及气体流动方式熔融碳酸盐燃料电池组是按压滤机方式进行组装的。在隔膜两侧分别置放阴极和阳极，再放置双极板，周而复始进行，最终由单电池堆积成电池堆。氧化气体和燃料气分别进入各节电池孔道，称为气体分布管。在MCFC电池组中，气体分布管有两种方式：内气体分布管和外气体分布管。近年来，国外逐渐倾向采用内分布管方式，并对其进行了改进。氧化与还原气体在电池内的相互流动有并流、对流和错流三种方式，少部分熔融碳酸盐燃料电池采用错流方式。2.燃料电池的特点(1)高效能量转化效率。燃料电池的效率高达50%到60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%到85%。(2)无污染，实现零排放。燃料电池的工作过程中，唯一的产物是水。(3)输出功率变化时效率特性好。部分功率下运行效率可达60%，短时过载能力可达到200%的额定功率。(4)运行噪声低，可靠性高。燃料电池没有机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。(5)构造简单，易于维护保养。燃料电池采用模块化结构，组装和维护方便。由于没有运动部件，磨损等故障较少。(6)燃料(氢气)来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过电解水、生物制氢等方法获取氢气。(7)燃料补充方便。燃料电池可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。(8)环境适应性强。燃料电池的功率密度高、过载能力大、不依赖空气，因此适应多种环境及气候条件。三．燃料电池的类型作为支撑的多孔陶瓷基质中。电池工作温度在650~750℃，通常需要加热维持温度。熔融碳酸盐燃料电池的燃料可以是氢气、甲烷等，氧化剂是空气或纯氧。电池的电极反应原理是：在阳极（电池负极），燃料气中的氢气在电极表面发生电化学反应生成H+和电子：在阴极（电池正极），CO32-和空气中的氧进行电化学反应生成CO2和O2-：电池总反应电池的工作压力一般在0.3~0.5MPa，单电池电压约为0.7V。发电效率可达60%左右。熔融碳酸盐燃料电池的优点是高效率、低污染和燃料适用范围广，但缺点是需要高温和加热维持温度，且电解质腐蚀性强，寿命较短。目前主要应用于工业固定电站和船舶等领域。4.固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)固体氧化物燃料电池的电解质是氧化锆等固体氧化物，阳极和阴极分别涂有催化剂。电池工作温度在800~1000℃，需要加热维持温度。该电池的燃料可以是氢气、甲烷等，氧化剂是空气或纯氧。电池的电极反应原理是：在阳极（电池负极），燃料气中的氢气在电极表面发生电化学反应生成H+和电子：在阴极（电池正极），O2-和空气中的氧进行电化学反应生成O2和电子：电池总反应固体氧化物燃料电池的优点是高效率、低污染和燃料适用范围广，但缺点是需要高温和加热维持温度，且电解质脆性较大，容易破裂。目前主要应用于工业固定电站和船舶等领域。总的来说，燃料电池作为一种新型的清洁能源，具有广阔的应用前景。随着技术的不断发展和成本的不断降低，燃料电池将逐渐成为电动汽车的主要动力源之一。3、H+和电子。H+通过质子交换膜在电解质中迁移至阴极，与氧气和电子反应生成水。DMFC具有高能量密度和便携性，适合于移动电源和小型设备的应用。然而，由于甲醇的低效率和毒性，DMFC在商业化应用方面仍面临挑战。多孔隔膜制成的高温燃料电池采用碳酸根离子作为载流子，阳极催化剂采用Ni-Cr或Ni-Al合金，阴极催化剂采用NiO。该电池可以使用石化燃料，产生的废热具有更高的利用价值，不需要使用贵金属作为催化剂，且载流子不需要使用水介质，避免了复杂的水管理系统。熔融盐燃料电池的燃料可以使用重整气体或天然气进行内部重整发电。虽然美国和日本已在MW级实验电厂中进行了运行示范，但该电池不适合做电动车动力源。固体氧化物燃料电池采用氧化钇掺杂的氧化锆作为电解质，在800~1000℃高温下具有氧离子导电性。电池的成流反应过程是空气中的氧气在阴极得到电子生成氧离子O2-，后者经过电解质由阴极流向阳极，同燃料分子发生电化学反应生成水并放出电子，后者由阳极经外电路流向阴极。虽然该电池成本过高，但今后可以通过降低成本和研制新材料使工作温度降低到400~600℃。质子交换膜燃料电池采用全氟磺酸质子交换膜作电解质，在常温80℃工作，燃料直接使用氢或直接使用甲醇。该电池具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，适合于作电动汽车电源。直接甲醇燃料电池使用液态甲醇作为燃料，采用与质子交换膜燃料电池相同的膜电极组件MEA。该电池具有高能量密度和便携性，适合于移动电源和小型设备的应用，但仍面临甲醇低效率和毒性的挑战。DMFC是一种直接将甲醇转化为电能的燃料电池。在阳极上，甲醇与水在催化剂的作用下发生氧化反应，同时生成6个质子和6个电子。电子通过外电路到达阴极，质子则通过质子交换膜到达阴极。在阴极上，氧气与质子和电子结合生成水，同时电子通过外电路做功。根据参与电池反应的物质的热力学数据，可以计算出在标准状况下，DMFC的电动势达到1.21V，能量转换效率高达97%。但是在实际使用中，电极极化和欧姆压降较大，导致电池的输出电压和能量转换效率都较理论值小很多。虽然已经开发出以甲醇重整制氢作为PEMFC氢源的电动汽车，但作为车用动力源的直接甲醇燃料电池还研制得较少。克莱斯勒公司曾开发出DMFC电动汽车样车，但它的最高时速只有35km/h，续行里程也只有15km。不过，DMFC作为小型仪器用电源却得到了很快发展。例如，杜邦和英国的CMR燃料电池公司已生产出直接甲醇燃料电池的样机，其大小为目前用于便携式电子设备的标准电池的1/10，成本为1/5。这种燃料电池的工作时间比笔记本电脑和其他电子设备中的常规电池要长4倍。燃料电池的发展前景十分广阔。便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰，而燃料电池的出现为其提供了新的解决方案。欧美风险企业最先投入研究与开发，日本便携式电子设备制造商跟随其后。这些厂家参与燃料电池开发，采用新材料，并且相继获得突破性进展。在技术方面，燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：电解质膜、电极、燃料和系统结构。日美欧各厂家开发面