新能源发电技术 电子课件 8.3 燃料电池发电系统

8.3燃料电池发电系统任课教师：2018年6月目录Contents8.3.1燃料电池发电系统的基本构成8.3.2车用燃料电池系统8.3.3家用燃料电池系统8.3.4燃料电池发电站目录Contents8.3.1燃料电池发电系统的基本构成8.3.2车用燃料电池系统8.3.3家用燃料电池系统8.3.4燃料电池发电站燃料电池交流发电系统构成示意图燃料电池发电系统的基本构成燃料供给燃料处理器燃料预处理单元燃料电池组热管理余热回收热量管理单元负载电力控制器直交流变换单元DC/DC变换器DC/AC逆变器电池燃料电池控制器——空气管理——燃料管理——传感器中央动力控制单元燃料预处理单元燃料电池发电系统的基本构成作用将供应的初始燃料转化成燃料电池所需气体燃料流程脱硫、催化重整、CO变换特点电池堆的工作温度越低，对燃料的要求条件就越苛刻要求进入PAFC的燃料含氢比例必须很高进入PEMFC的燃料必须不含一氧化碳燃料预处理单元燃料电池发电系统的基本构成要求总反应方程式：CH4+2H2O→4H2+CO2

脱硫R-SH+H2→R-H+H2S

H2S+ZnO→ZnS+H2O

催化重整CH4+H2O→CO+3H2

CO变换CO+H2O→CO2+H2

热管理单元燃料电池发电系统的基本构成要求燃料电池能量①可能导致燃料电池出现过热现象，或不同部位出现较大的温度差，对燃料电池堆的平稳运行不利②从提高能量的转换率考虑，可将释放的热量回收利用热管理单元燃料电池发电系统的基本构成低功率小型便携式PEMFC系统不需专门的冷却设备，可利用周围环境空气的自然对流满足电池堆散热需求

低温PEMPC系统和中温PAFC系统通常需要强制空气对流或利用冷却液进行换热来保持电池温度高温燃料电池如MCFC和SOFC

可以利用其热量对燃料和氧化剂进行预热，为燃料的预处理提供热量直交流变换单元燃料电池发电系统的基本构成功能电力调节电力转化燃料电池的输出电压不稳定设计电压达不到用户特定要求用户是交流电用户产生的电力需要并入电网直交流变换单元燃料电池发电系统的基本构成直流/直流变换器(DC/DCconverter)DC/AC逆变器

将一定范围内变化的输入电压转化成某一固定且稳定的输出电压

将燃料电池堆的直流电转换成交流电直流/直流变换器的输出功率与输入功率的比值定义为变换效率

输出电压的提高以输出电流的降低为代价燃料电池控制器燃料电池发电系统的基本构成系统的“大脑”作用燃料电池发电系统的使用状态经常会变化。因此，必须对燃料电池系统进行实时监控并进行跟踪调整。构成多种传感元件(如温度、压力传感器)、执行元件(如电磁阀）和执行控制的计算机程序。燃料电池控制单元示意图控制系统燃料罐燃料处理系统燃料电池堆电力转换器负载热能热管理燃料供给量控制处理系统反应条件控制氢气供给量控制未反应气体循环控制温度、压力、空气供给量控制热回收系统控制直流电流和电压控制电压和交流频率控制电流和电压输出控制目录Contents8.3.1燃料电池发电系统的基本构成8.3.2车用燃料电池系统8.3.3家用燃料电池系统8.3.4燃料电池发电站由质子交换膜燃料电池（PEMFC）、蓄电池、电机和系统控制设备组成。当燃料电池的功率大于汽车需要时，可对蓄电池充电；当燃料电池的功率不足时，蓄电池可提供附加功率。功率更大，效率更高，而且续航力和补充燃料的便捷性也有了提高。动力系统配有蓄电池优点车用电池燃料系统车用电池燃料系统燃料电池汽车系统透视图车用电池燃料系统不足研究方向成本高

若催化剂铂每千瓦用量为1g，则每辆燃料电池轿车的用量约为50g，这导致了燃料电池的成本居高不下。寿命短

在车辆运行过程中，燃料电池需要经历频繁的变载工况，这会加速电催化剂的老化。提高催化剂的活性与利用率研究低Pt催化剂、非Pt催化剂降低膜电极上的铂载量。目录Contents8.3.1燃料电池发电系统的基本构成8.3.2车用燃料电池系统8.3.3家用燃料电池系统8.3.4燃料电池发电站家用燃料电池系统燃料电池发电系统

家用燃料电池系统热循环系统热水系统电力转换器电力备用加热器燃料电池电堆氧气氧气供应设备天然气气体重整设备氢气家用燃料电池系统优势：避免输电过程中意外故障的影响2节约了建造及维护费用

1提高了发电效率和可靠性3有利于保护环境5减少了影响城市景观的设施

4家用燃料电池系统产品及应用现状加拿大本世纪初，巴拉德公司开发了家用燃料电池电源，其输出功率为1.2kW，输出22-50V直流电，寿命为1500h。美国普拉格公司在同期开发出5kW燃料电池电源，其工作电压为48V或120V直流电，同样以氢气为燃料，且在一米远处噪声小于60dB。日本燃料电池技术早已进入工厂、商业楼宇以及家庭中。目录Contents8.3.1燃料电池发电系统的基本构成8.3.2车用燃料电池系统8.3.3家用燃料电池系统8.3.4燃料电池发电站燃料电池发电站发电效率高1建厂时间短2环保问题少34动态变化特性好优点燃料电池发电站MCFC发电系统实例美国FuelCellEnergy公司开发DFC300、DFC1500以及DFC3000系列的MCFC系统，效率可达47%-50%。截止2007年在美国安装接近40台发电装置，装机总量达到11.5MW。德国MTU公司组装成的燃料电池发电站，其发电效率达到47%，主要应用在工厂、医院、沼气工程、生物制气装置、分布式供热系统和计算中心。燃料电池发电站SOFC发电系统实例日本三菱（20