新能源发电技术 课件 于立军 第7、8章 海洋能发电、燃料电池技术

7.1潮汐能蓄能发电技术目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望在海边，海水存在规律的涨落现象：到了一定的时间，海水迅速上涨，过了一段时间以后，海水又自行退去，如此循环往复。海水的这种运动被称为潮汐现象。

7.1.1.1潮汐现象潮汐运动的主要成因：天体的引潮力高潮和低潮高潮：在海水涨落的一次周期中海面上升到最高位置时称为高潮低潮：在海水涨落的一次周期中海面下降到最低位置时称为低潮涨潮、平潮落潮、停潮从低潮到高潮的过程称为涨潮，从高潮到低潮的过程称为落潮海面到达高潮时暂停升降的过程称为平潮，海面降至低潮时暂停升降的过程称为停潮。潮差在海水涨落的一次周期中，高潮高与低潮高的潮位高度差称为潮差7.1.1.2潮汐的主要概念高潮低潮高潮高潮差落潮时间涨潮时间低潮高海底平面一张图总结潮汐种类正规半日潮正规全日潮不正规全日潮不正规半日潮7.1.1.3潮汐的分类正规半日潮在一个太阴日内有两次涨潮和两次落潮，且两次涨落的程度大致相等在一个太阴日内有两次涨潮和两次落潮，但两次涨落的程度相差很大的潮汐被称为不正规半日潮正规半日潮不正规半日潮正规半日潮与不正规半日潮正规全日潮不正规全日潮在一个月中，有连续一半以上的天数出现了一个太阴日内只有一次涨潮和一次落潮的情况，涨潮和落潮时间大约都是12时25分，这种潮汐现象被称为正规全日潮在一个月中，有不到一半的天数在一个太阴日内只有一次涨潮和一次落潮，其他天数为不正规半日潮，这种现象叫做不正规全日潮正规全日潮与不正规全日潮引潮力做功导致了海水的涨落和流动，因此而产生的势能和动能就是潮汐能。我国地处太平洋西岸，海域辽阔，海岸线迂回曲折，潮汐能资源的蕴藏量极为丰富。2012年，根据国家海洋局组织实施的我国近海海洋综合调查与评价专项的调查与研究，我国（不包括台湾地区）近海10米等深线以内潮汐能资源的总蕴藏量为1.9286×108kW，其中可开发的500kW以上的潮汐能发电站站址有171个，技术可开发量为22830MW。7.1.1.4我国的潮汐能资源温岭江厦潮汐试验电站总的来说：我国潮汐能资源十分丰富！目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望1.利用潮汐的动能，由海水向前流动的能量来推动水轮机转动直接利用潮汐的动能比较困难，效率也较低一般不采用2.潮汐能蓄能发电，又称潮位发电潮汐能蓄能发电利用潮汐的势能，由海水涨落所形成的水位差来推动水轮机转动，再由水轮机带动发电机发电。7.1.2.1潮汐能蓄能发电原理潮汐能发电是利用潮汐能的一种方法，一般可分为两种形式单库单向发电单库双向发电双库连接发电7.1.2.2潮汐能蓄能发电方式123单库单向发电方式只有一个水库，如图所示。这种方式采用单向水轮发电机组，只能在涨潮或落潮时发电。落潮发电流程如下：1.单库单向发电充水涨潮时，水闸开启，上涨的潮水进入水库，直至水库内外的水位一致为止。等待落潮时，水闸关闭，水库内的水位维持不变，水库外的潮位不断下降。当水库内外的水位差达到水轮发电机组的启动水头时，机组开启。发电水库内的水流外泄，机组发电，库内水位不断下降，直到水库内外的水位差小于机组运行要求的最小水头。单库单向发电的优缺点优点缺点这种方式只能在落潮时发电，对正规半日潮地区而言，一天内发电两次，停电两次，导致平均每天发电时间较短，约为9-11小时，发电量较少，一般发电效率仅为22%。单库单向发电方式采用单向水轮发电机组，结构简单，发电水头大，具有较高的机组效率，工程建筑物的结构也较为简单。多数小型潮汐能蓄能发电站采用单库单向发电方式。由于涨潮和落潮时的水流方向不同，单库单向方式只能在落潮时发电。为了在涨潮和落潮时都能发电，可采用单库双向方式。2.单库双向发电这种发电方式同样只有一个水库，而“双向”可通过两种方法实现。采用双向水轮发电机组来适应涨潮和落潮时不同的水流方向。采用单向水轮发电机组，但是在布置水工建筑物时，让流道在涨潮和落潮的两种情况下都能沿着同一方向流入和流出水轮机。单库双向发电的两种方式

1

2无论使用何种方式，发电的运行过程都包括：等候、涨潮发电、充水、落潮发电和泄水。因为采用了双向发电，其平均发电水头小于单向发电，机组效率较低。单库双向发电方式在一天内发电四次，停电四次，平均每天发电时间约为14-16小时。相比于单库单向发电，单库双向的发电量增加了15%-20%，能够更充分地利用潮汐能。单库双向发电的优缺点缺点优点双库连接，是指在海湾的出口处建造两个相邻的水库，它们各自通过进水闸和出水闸与外海相连，其中一个水库只在外海潮位高时进水，称为高水库，另一个水库只在外海潮位低时出水，称为低水库，水轮发电机组建在高、低两个水库之间。3.双库连接发电在潮水涨落的整个周期中，通过控制进水闸和出水闸，让高水库保持较高的水位，低水库保持较低的水位，两者之间始终有一定的水位差，则海水从高水库向低水库流动时就能实现连续发电。发电原理发电方式工作原理优点缺点单库单向涨潮时向水库充水，落潮后利用水库内外的水位差驱动水轮发电机组设备结构简单，机组效率高发电量较少，潮汐能利用率低，发电不连续单库双向采用双向水轮发电机组，或利用特殊的流道布置使潮水在涨潮和落潮时从同一方向流经水轮机，从而使水流在涨潮和落潮时都能驱动水轮发电机组发电量较大，潮汐能利用率高机组结构复杂，效率低，发电不连续双库连接采用两个分别与外海相连的水库，通过控制水闸使它们始终保持一定的水位差，水流从高水库流向低水库时带动水轮发电机组能够实现连续发电发电量较低，工程建筑多总结7.1.2.3潮汐能蓄能发电量计算潮汐势能

装机容量

年发电量

目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望潮汐能蓄能发电站7.1.3.1潮汐能蓄能发电站的组成发电厂水闸拦水堤坝作为外海与海湾水域之间的一道屏障，用以形成水库，并保证水库内外有一定的水位差，为潮汐发电提供条件水闸用于调节水库的进、出水量发电厂最为核心的设备就是水轮发电机组立轴式水轮发电机组横轴式水轮发电机组贯流式水轮发电机组7.1.3.2水轮发电机组的分类1.立轴式水轮发电机组结构特点把轴流式水轮机和发电机的轴竖向连接起来，垂直于水平面水轮机被置于较大的混凝土蜗壳内，发电机被置于厂房的上部。优势和劣势优势：这种形式的机组结构简单、运行可靠。劣势：进水管和尾水管有较多弯曲，水头损失很大，导致效率较低。运用场所一般小型的潮汐电站可采用立轴式水轮发电机组。2.横轴式水轮发电机组结构特点不同于立轴式机组，横轴式水轮发电机组将机组的轴横置，其他方面大体相同。优势和劣势优势：机组的进水管缩短，进水管和尾水管的弯度也较立轴式机组大大减少，因此水头损失较少。劣势：其尾水管很长，对厂房的长度有一定要求。运用场所厂房有一定规模的潮汐电站可采用立轴式水轮发电机组。贯流式半贯流式灯泡贯流式竖井贯流式轴伸贯流式全贯流式3.贯流式水轮发电机组灯泡贯流式水轮发电机组结构：发电机被安装在一个灯泡型的金属壳体内，与水轮机同轴连接特点：灯泡式机组的效率较高，并且结构紧凑，稳定性好竖井贯流式水轮发电机组结构：流道中设有竖井，发电机安装在竖井内，通过竖井中的传动机构与水轮机相连接特点：流道短，布置形式简单，但是竖井处于流道中，对水流流动造成了一定阻碍，因而机组效率较低轴伸贯流式水轮发电机组结构：发电机被安装在流道外的尾水管顶部，水轮机的主轴从尾水管穿出后与发电机相连接，尾水管一般为“S”形特点：结构简单，弯曲的尾水管内有水力损失，其效率较低半贯流式水轮发电机组1.流道平直，水流直贯水轮机的转轮2.水轮机和发电机之间没有传动轴，发电机的转子安装在流道外水轮机转轮叶片的外缘处1.发电机的尺寸不受限制，能够采用最佳的转子直径，因而发电机的转动惯量较大2.全贯流式机组效率高，其适用水头可达40m因为发电机转子的转动惯量很大，在承受潮流的推力和转子旋转时较难保持稳定，要求水轮机和转子轮缘间有良好的密封，因而全贯流式机组的制造要求很高优势构造缺点全贯流式水轮发电机组总结水轮发电机组优点缺点立轴式结构简单、运行可靠水头损失大，效率低横轴式水头损失较少长度长，需要较大的厂房面积贯流式半贯流式灯泡贯流式结构紧凑，稳定性好，效率高－竖井贯流式流道短，布置形式简单效率较低轴伸贯流式结构简单效率较低全贯流式效率高制造工艺要求高不同于一般的水力发电，潮汐能蓄能发电使用的工作介质是海水，其水轮发电机组的许多部件需要长时间浸泡在海水中，其余部件接触到的空气所含的盐分也很高，这会对金属材料产生极大的腐蚀作用，也会对机组中的电气元件产生不良影响。因此，潮汐电站的水轮发电机组必须采用防腐处理。7.1.3.3水轮发电机组的关键技术关键技术：防腐处理技术涂敷防腐涂料所有需要与海水接触的水轮发电机组的部件表面都应涂敷防腐蚀的涂料常见的有环氧沥青防腐涂料等选用耐腐蚀的制造材料对关键性的部件可在满足机械强度条件的情况下选用铬、钼、镍含量较高的不锈钢来制造，以提高其耐腐蚀性采用阴极保护在金属部件上安装辅助阳极，通过海水形成回路，使部件处于阴极状态，降低了被腐蚀的可能性阴极保护适用于不易涂覆防腐涂料或涂料容易脱落的部件上防腐处理的主要手段目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望7.1.4.1潮汐电站的发展简史191219611966196719681984德国建成了全世界第一座小型潮汐电站——布苏姆电站1961年，法国朗斯电站正式开工建设朗斯电站全部24台单机容量为10MW的机组投入运行朗斯电站第一台机组正式发电前苏联在基斯拉雅湾建成潮汐电站并且有两台400kW机组投入运行加拿大安纳波利斯电站一台17.8MW的机组投入运行电站名称国家平均潮差（m）库容（km2）总装机容量（MW）首台投产时间（年）朗斯法国8.5172401966基斯拉雅前苏联3.920.81968江厦中国5.123.91980安纳波利斯加拿大5.1617.81984目前世界潮汐电站概览电站名称地址总装机容量（kW）投产时间（年）沙山浙江温岭401961岳浦浙江象山3001971海山浙江玉环1501975浏河江苏太仓1501976果子山广西钦州401977白沙口山东乳山9601978江厦浙江温岭39001980世界概览中国概览法国朗斯电站建于1966年，装机容量达到240MW，设计年发电量为544GW·h。电站位于法国西北部圣马洛海湾的朗斯河口以南约2.5km处，这里是世界上著名的大潮差地点之一，平均潮差为8.5m，最大潮差可达13.5m，潮汐能资源量十分可观。7.1.4.2法国朗斯潮汐电站几个之最全世界第一座具有经济价值的潮汐电站目前全球规模最大的已建成的潮汐能蓄能发电站目前全球规模最大的已投入运行的海洋能发电工程重要意义全世界第一座具有经济价值的潮汐电站标志着潮汐能发电开始进入实用阶段1973年，江厦电站在浙江温岭乐清湾开工建设。电站采用单库双向发电方式，安装有五台双向灯泡贯流式水轮发电机组，其中一、二号机组水轮机和发电机之间装有增速器；三、四、五号机组水轮机和发电机直接相连；六号机组是一台新型的双向卧轴灯泡贯流式机组。7.1.4.3浙江温岭江厦潮汐电站成就年发电量约为7.2GW·h，居于世界第三位我国第一座潮汐能双向发电站我国目前规模最大的潮汐电站重要意义除发电以外，还兼有围垦造田、海水养殖等多种功能为我国潮汐能资源的开发和利用积累了宝贵的经验目录Contents7.1.1潮汐概述7.1.2潮汐能蓄能发电原理和发电技术7.1.3潮汐能蓄能发电站的核心——水轮发电机组7.1.4著名的潮汐能蓄能发电站7.1.5小结与展望人类利用潮汐能发电的历史至今已有上百年历史，经过长久的经验和技术积累，潮汐能蓄能发电的规模正在从中小型向大型化发展。地球上有许多海湾和河口的平均潮差达到了4.6m以上，蕴含着巨大的潮汐能资源。加拿大和美国之间的芬迪湾有全球最大的潮差，达16.2m；朗斯电站地处的法国圣马洛湾，最大潮差为13.5m；我国钱塘江的最大潮差也达到了8.9m。目前，世界上许多适合建造大型潮汐电站的地点都在研究潮汐能蓄能发电，全球正在规划建设的100MW以上的潮汐电站有二十余座。但是，高潮汐能发电的不连续性使得潮汐电站的效率相对偏低，加上昂的土建成本和海水腐蚀导致的设备折旧费用，使得潮汐能蓄能发电目前在经济性上尚且无法和传统的火电以及新兴的光伏、风电等发电技术竞争。在未来，随着潮汐能蓄能发电技术的不断发展和发电成本的降低，其竞争力将不断提高，潮汐能蓄能发电将在多种发电方式中占有一席之地。7.1.5小结与展望请简述潮汐现象及其形成的原因。请简述潮汐能蓄能发电的发电原理及其主要方式？它们的优缺点分别是什么？请说出潮汐电站采用的水轮机组的主要类型及其优缺点。习题与思考题谢谢！7.2波浪能发电技术目录Contents波浪能概述波浪能发电原理波浪能发电技术形式7.2.17.2.27.2.3目录Contents波浪能概述波浪能发电原理波浪能发电技术形式7.2.17.2.27.2.37.2.1波浪能概述1、波浪能成因主要原因：海风吹过海面时，形成波浪，此时，风能被转化为海水动能，并以波浪形式表现。其他原因：包括天体引力、海底地震、大气压力变化等因素，都会引起海水的波动天体引力海底地震大气压力变化7.2.1波浪能概述2、波浪能发展历史波契克斯·普莱西克建造了第一座振荡水柱式波浪能发电装置1910年益田山雄发明了利用波浪能发电的导航灯浮标1964年英国教授索尔特发明了“鸭式”波浪能发电装置1970年英国建造功率75kW的振荡水柱式波浪能电站1992年上述电站改建为500kW岸式波浪能电站2000年7.2.1波浪能概述我国海岸线长达两万多公里，可供开发和利用的波浪能资源极其丰富。3、我国波浪能资源7.2.1波浪能概述能量密度高潜在能源总量大无污染可再生波浪能发电技术发电量受环境的影响较大波浪能量的收集难度较大极不稳定优点缺点目录Contents波浪能概述波浪能发电原理波浪能发电技术形式7.2.17.2.27.2.37.2.2波浪能发电原理2转子旋转动能空气动能波浪能电能重力势能浮子动能波浪能发电：能量转换过程第一阶段转换是重点，是波浪能发电技术的核心,是区分不同波浪能发电技术的标志。空气动能：震荡水柱式重力势能：振荡浮子式浮子动能：越浪式①②③7.2.2.1海洋波浪的形成机理及性质3波浪形成一定的规模，风将在波浪的迎风面作用一个更大的力，使波浪进一步生长。1吹拂海面的风形成一个水面切线压力，从而产生波浪并持续增强。2大气湍流产生压力和剪应力波动，若剪应力波动于波浪相同，则产生更多的波浪。1、波浪的形成机理：

7.2.2.1海洋波浪的形成机理及性质表面张力波引力波惯性波重力波

7.2.2.1海洋波浪的形成机理及性质3、波浪的特性实验发现：在特定的角频率附近，海浪具有一个能量集中的极值点。设计一个合适的机械系统，可以吸收海浪中的大部分能量，即可以利用波浪能驱动一个机械系统。日本室兰测试点实测海洋功率谱7.2.2.2波浪能吸收原理弹簧质量块阻尼器激励力海洋波浪能吸收器力学模型系统固有频率：

共振：当激励频率与系统的固有频率相同时，质量块的振动最为剧烈，达到最大振幅，阻尼器吸收的能量也为最大。当波浪频率与波浪能吸收装置的固有频率相同时发生共振，波浪能吸收装置的能量转换效率最高。

1、波浪形成机理法——分别计算、叠加求和第n个波浪的功率：其中：代入、并叠加求和。7.2.2.3波浪功率的计算

2、功率谱的经验拟合算法：能量谱方程：波浪总功率：代入，得：可以发现：波浪总功率与有效波高的平方和有效波周期成正比。

7.2.2.3波浪功率的计算

7.2.2.4波浪能发电系统波浪能波浪能吸收装置能量集中装置发电装置电能吸收波浪动能集中能量吸收器收集的能量，推动发电机转子高速旋转自动化控制设备目录Contents波浪能概述波浪能发电原理波浪能发电技术形式7.2.17.2.27.2.37.2.3波浪能发电技术形式波浪能转换技术振荡水柱式（空气动能）振荡浮子式（浮子动能）鸭式摆式筏式越浪式（重力势能）目前主流的波浪能发电技术形式：1、原理振荡水柱式（OWC、空气涡轮式发电装置）：利用波浪驱动气室内的水柱往复运动，再通过水柱推动气室内的空气进入空气叶轮机旋转，得到旋转动能，进而推动发电装置进行发电。7.2.3.1振荡水柱式波浪能发电原理及装置2、结构示意图

通过海浪波峰波谷的交替到达，形成气室内上下振荡的水柱，并带动空气进行往复运动水平出入气流

多用于：靠岸的固定式和波浪能发电电站竖直出入气流多用于航标灯和发电船7.2.3.1振荡水柱式波浪能发电原理及装置水平出入竖直出入3、应用实例7.2.3.1振荡水柱式波浪能发电原理及装置苏格兰艾拉岛OWC发电装置1990年建造75kW世界第一台振荡水柱式波浪能电站LIMPET5002000年由上述电站改建岸式振荡水柱式波浪能发电装置功率500kW，电力可供400户居民使用1、原理振荡浮子式波浪能发电装置：利用波浪推动装置的活动部分的往复运动，推动机械系统或液压系统，转换为发电机转子的动能，并最终转换为电能。7.2.3.2振荡浮子式波浪能发电原理及装置2、结构示意图7.2.3.2振荡浮子式波浪能发电原理及装置振荡浮子式波浪能发电装置结构示意图能量转化过程：当海浪的波峰到达浮子时，浮子向上漂浮，波浪能转变为浮子动能；浮子牵引链条移动，并通过链轮带动发电机转子转动，浮子动能转换为转子的动能；发电机将转子动能转换成电能；当波谷到达时，浮子由于自身重力下降，牵引链条反向移动。不同的浮子设计：鸭式、摆式、筏式（1）振荡浮子式：鸭式原理：工作状态下，表层波浪的冲击力大于内部水的冲击力，使得鸭体产生一上一下的“点头”动作，鸭体的起伏摇摆带动连杆，推动液压缸内的传动油，将运动传递给液压马达旋转，再带动发电机发电。1-鸭体2-转轴3-连杆4-液压缸5-液压传动油漂浮式半漂浮式发电装置安装位置7.2.3.2振荡浮子式波浪能发电原理及装置（2）振荡浮子式：摆式7.2.3.2振荡浮子式波浪能发电原理及装置原理：波浪进入水室后，由于后墙的阻挡和反射作用，产生两个方向相反的波浪，摆板在海水推动下进行往复摆动，带动液压系统和液压泵，将能量传至发电机发电。悬挂摆浮力摆摆板布置方式原理：由于海浪的不断波动，阀体之间的夹角也不断变化，从而将波浪能转换为筏体的动能，再转换为铰链内部液压系统的液压能，最终转换为电能。（3）振荡浮子式：筏式7.2.3.2振荡浮子式波浪能发电原理及装置“海蛇”（Pelamis）号筏式波浪能发电系统铰链内液压系统1、原理利用人造或自然形成的水池，将传播至水池的波浪聚集于坡道，海水越过坡道后进入蓄水池，在重力作用下，水的势能转换为动能，最后利用低水头轴流式涡轮发电机，实现动能向电能的转换。7.2.3.3越浪式波浪能发电原理及装置2、结构示意图7.2.3.3越浪式波浪能发电丹麦开发主体的结构由两个引浪坡道和混凝土结构的水池组成。固定式漂浮式发电装置安装位置在该装置的引浪面前的坡道上安装有曲形的反射壁，使得入射波更容易聚集到坡道上，有效地增加了波浪能的获取率龙式（WaveDragon）波浪能发电装置波浪能发电需要经历怎样的能量转换过程？结合波浪能吸收原理，简述如何设计波浪能吸收器，才能使能量转化效率最大？波浪能发电目前存在哪些主要的技术形式，它们各自有什么特点？习题与思考题谢谢！7.3海流能发电技术目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.5目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.57.3.1海流能概述1.海流的分类及成因洋流因风力和海水的温度、盐度差而形成的一种较为稳定的大规模的海水流动。在月球和太阳的引潮力作用下，海水会出现周期性的涨落现象，被称为潮汐。引潮力除了带来潮汐，还会使海水产生周期性的水平流动，这就是潮流。潮流风生流主要存在于海水的上层,会随着海水深度的增加而不断减弱，直至小到可以忽略。7.3.1海流能概述1.海流的分类及成因洋流因风力和海水的温度、盐度差而形成的一种较为稳定的大规模的海水流动。在月球和太阳的引潮力作用下，海水会出现周期性的涨落现象，被称为潮汐。引潮力除了带来潮汐，还会使海水产生周期性的水平流动，这就是潮流。潮流7.3.1海流能概述1.海流的分类及成因洋流因风力和海水的温度、盐度差而形成的一种较为稳定的大规模的海水流动。风生流主要存在于海水的上层,会随着海水深度的增加而不断减弱，直至小到可以忽略。等压面而因海水温度、盐度的不均匀性,实际海洋中的等压面往往是倾斜的,因而在水平方向上存在着使海水流动的力。7.3.1海流能概述1.海流的分类及成因潮流在月球和太阳的引潮力作用下，海水会出现周期性的涨落现象，被称为潮汐。引潮力除了带来潮汐，还会使海水产生周期性的水平流动，这就是潮流。流向

类一在近岸浅海、海峡、海湾、河口以及岛屿之间的水道中，由于地形的限制，潮流只能沿直线方向作往复运动，这被称为往复式潮流。涨潮流落潮流7.3.1海流能概述1.海流的分类及成因根据周期的不同，潮流也可分为半日潮和全日潮，其中半日潮的周期约为12小时25分，全日潮的周期约为24小时50分。周期类二如果一个太阴日内仅出现一次最强涨潮流速和一次最强落潮流速，这种潮流被称为正规全日潮。在正规全日潮中还掺有半日潮的波动的潮流则是不正规全日潮。潮流这种往复式潮流称之为正规半日潮0一个太阴日0一个太阴日这种往复式潮流称之为不正规半日潮海流的变化较为平稳海洋中有许多条洋流，每条洋流终年沿着一定的途径流动，流向基本不变，流速也较为稳定。潮流的流向和流速都具有周期性的变化，且变化周期一般与潮汐一致。7.3.1海流能概述1.海流的分类及成因？2.海流能定义：海流的动能，与流量及流速的平方成正比。开发条件：最高流速达2m/s以上的水道，其海流能被认为具有实际开发的价值。海流能的功率密度：指通过单位面积内的海流能，是表征一处海域海流能强弱或海流能资源丰富程度的重要指标。我国是全球海流能功率密度最大的地区之一。7.3.1海流能概述目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.5海流能利用的主要方式是发电，其发电原理与风力发电类似。7.3.2海流能发电技术海水的动能水轮机的机械能电能利用潮流能发电时,由于潮流的运动具有周期性因此水轮机的转动和能量转换都具有确定的周期性变化1.能量转换原理7.3.2海流能发电技术U为相对海流的速度ωR，叶片沿圆周切向速度阻力升力

1.能量转换原理7.3.2海流能发电技术U为相对海流的速度ωR，叶片沿圆周切向速度阻力升力CL:叶片翼型的升力系数CD:阻力系数CM:力矩系数A:叶片特征面积C:叶片弦长ρ:流体密度1.能量转换原理7.3.2海流能发电技术

2.贝兹理论提出：1919年，德国物理学家阿尔伯特·贝兹（AlbertBetz）提出了贝兹理论，从理论上对叶轮的能量利用率系数进行了推导。理论的条件：贝兹理论是基于“理想叶轮”的假设，即叶轮没有轮毂，且叶片无限多，连续的、不可压缩的流体均匀流过整个叶轮迎流面时不存在阻力，叶轮前后的流体流速方向均沿着叶轮轴向。

7.3.2海流能发电技术目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.5发电机组包括水轮机、机械传动系统和发电机。水轮机是核心，用来获取海流能。大部分水轮机为旋转类水轮机，一般可分为两种：水平轴式和垂直轴式。电控系统用以控制发电系统并输送电力。监测系统负责监测海流的流速和流向以及观测海底地形。海洋工程结构用以支撑和固定发电系统。发电机组0102电控系统

监测系统0304海洋工程结构

7.3.3海流能发电装置总述⭐1.水平轴式海流能发电装置透平叶轮的旋转轴轴线方向与海流方向平行。这种形式与目前主流的风力发电装置形式颇为类似。7.3.3海流能发电装置特点水下风车7.3.3海流能发电装置1.水平轴式海流能发电装置

如何转动发电

影响输出功率的因素23优点

17.3.3海流能发电装置1.水平轴式海流能发电装置1

如何转动发电

影响输出功率的因素23优点

7.3.3海流能发电装置1.水平轴式海流能发电装置如何转动发电流向与流速：当转子平面正对着来流时，转子才能按照设计的最大效率工作。提高效率的方法：潮流的流向具有周期性变化，水平轴式潮流能发电装置需安装偏航调节系统，以调节水轮的轴线方向，使叶片的迎流面始终面对来流。提高效率的方法：此外，与风力发电机相同，采用变桨距控制系统也可实现功率调节。12影响输出功率的因素由于潮流的流向具有周期性变化，水平轴式潮流能发电装置需安装偏航调节系统，以根据来流方向来调节水轮的轴线方向，使叶片的迎流面始终面对来流。此外，与风力发电机相同，采用变桨距控制系统也可实现功率调节，使海流能发电机组的输出功率保持稳定。7.3.3海流能发电装置1.水平轴式海流能发电装置流向与流速：当转子平面正对着来流时，转子才能按照设计的最大效率工作。提高效率的方法：此外，与风力发电机相同，采用变桨距控制系统也可实现功率调节。3优点影响输出功率的因素22.垂直轴式海流能发电装置透平叶轮的旋转轴轴线方向垂直于海流方向。对垂直轴式机组而言，任何方向的来流，只要达到机组的启动流速，都能够带动水轮机转动。7.3.3海流能发电装置特点竖轴式水轮机的叶轮可分为升力型、阻力型和升阻力混合型。横轴式水轮机竖轴式水轮机7.3.3海流能发电装置2.垂直轴式海流能发电装置7.3.3海流能发电装置2.垂直轴式海流能发电装置竖轴式水轮机类型是否可自启可/不可自启原因升力型可变桨距式√可通过调节桨距以达到足够的力矩实现自启动不可变桨距式×没有足够的力矩实现自启动，需要通过控制发电机使其先切换为电动机来拖动叶轮转动，启动后再将电动机切换为发电机，由叶轮带动发电机工作阻力型√－升阻力混合型√－7.3.3海流能发电装置2.垂直轴式海流能发电装置两种升力型竖轴式水轮机φ型达里厄竖轴式水轮机H型竖轴式水轮机7.3.3海流能发电装置2.垂直轴式海流能发电装置竖轴式机组的结构构成由竖轴式叶轮及浮筒装置组成，叶轮安装在浮筒下端采用固定于海床上的沉箱结构，叶轮安装于沉箱内，其余部分与漂浮式机组类似特点漂浮式机组极易受风浪影响较为稳定漂浮式结构固定式结构7.3.3海流能发电装置2.垂直轴式海流能发电装置横轴式水轮机竖轴式水轮机VS电气部分能够置于海面之上，使得系统的安装、调试和维护更为方便。但达到更高的效率需要较大的叶片长度，对发电水域的水深要求较高。横轴式机组的优点在于叶片长度能够横向伸展，可以在浅水水域实现大功率发电。目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.5我国海流能发电技术的开发始于20世纪70年代。80年代初，哈尔滨工程大学研究出了一种直叶片型的海流透平，能够获得较高的效率，并完成了60W模型的实验室研究。此后，在此基础上开发出了千瓦级的海流能发电装置，在河流中进行了试验。世界上已开展海流能发电技术开发的国家主要有美国、英国、加拿大、日本、意大利和中国等。1.海流能发电发展简史7.3.4著名的海流能发电站SeaGen是世界上第一个大规模的商业化海流能发电项目，也是目前世界上最大的海流能发电装置。英国SeaFlow和SeaGen海流能发电站SeaFlow是世界上第一台安装在广阔海域上的海流能发电机组。7.3.4著名的海流能发电站1.海流能发电发展简史挪威Hammerfest海流能发电站2003年，由挪威HammerfestStream公司研制的一台300kW海流能发电装置在KvalSound海区开始了发电试验。这是世界上第一个300kW级的并网型海流能发电站。。7.3.4著名的海流能发电站1.海流能发电发展简史意大利Kobold海流能发电站意大利PontediArchimede（PdA）公司和那不勒斯大学联合开发了位于西西里海峡墨西拿水道的Kobold海流能发电站。电站经历了多次改造，是世界上第一个接入电网的竖轴式海流能发电站，并在原有基础上继续安装了6kW的太阳能发电系统，成为了世界上第一座实现与太阳能互补发电的漂浮式海流能试验电站。7.3.4著名的海流能发电站1.海流能发电发展简史

中国万向海流能发电站从1982年开始，哈尔滨工程大学在万向集团的支持下陆续研制出了万向I和万向II海流能发电试验装置。该电站是世界上第一座采用坐底式的竖轴水轮机式海流能试验电站，其支撑结构和基座连成一体，而基座稳定地坐在海床上，可避免机组受到强台风的袭击。7.3.4著名的海流能发电站1.海流能发电发展简史目录Contents海流能概述海流能发电原理海流能发电装置

著名的海流能发电站小结与展望7.3.17.3.27.3.37.3.47.3.5近年来，在全球能源短缺的形势下，海流能发电受到了许多国家的重视。由于海流的流量和流速稳定，在海流能资源丰富的地区，海流能能够提供充足而廉价的电力。目前，海流能的商业化开发利用还很少，但是，海流能未来将成为人类可靠的电力来源。7.3.5小结与展望海流可分为哪两类？其形成的原因分别是什么？潮汐和潮流的区别是什么？潮汐能发电和海流能发电的原理有何不同？海流能发电装置的基本组成，并简述水轮机的主要类型及其功能？习题与思考题谢谢！7.4海洋温差能发电技术在国外，海洋温差能发电更习惯被称为海洋热能转换，简称OTEC导读海洋温差能是由于海洋表层和深层海水之间所存在的温度差而形成的目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5海洋温差能本质上也来自于太阳能太阳辐射能基本被20米深的海水层全部吸收海洋深处充满来自极地的冰冷海水（1）海洋温差能的成因混合层温跃层深海冷水层混合层，在南北纬20º之间的热带和亚热带，温度在25℃以上。温跃层，温度随深度增加而迅速下降，约200m处下降至15℃。深海冷水层，1000m的深层海水终年保持4℃左右。（1）海洋温差能的成因1881年，法国雅克·达松瓦尔第一个提出利用海洋温差能213

1930年,乔治·克劳德在古巴马坦萨斯湾建成了第一台海洋温差能发电实验装置1956年法国政府在非洲西海岸建设了一座开式循环海洋温差能电站（2）海洋温差能的开发历史（萌芽）

......1979年由洛克希德公司制造的mini-OTEC在夏威夷海域正式投入实验1980年美国建成OTEC-1实验装置1981年日本在瑙鲁共和国建设了一个100kW的岸式闭式循环OTEC示范电站213（2）海洋温差能的开发历史（兴起）中国科学院广州能源研究曾开发过一套海洋温差能模拟实验装置。哈尔滨工程大学，天津大学等也曾对海洋温差能电站的热力特性进行过理论分析2012年，国家海洋局第一海洋研究所成功建成了我国第一个15kW实用温差能发电装置我国海洋温差能（2）海洋温差能的开发历史（我国）据估算，我国近海及毗邻海域的温差能资源理论储量为14.4×1021～15.9×1021J，90％分布在我国的南海海域。（2）海洋温差能的开发历史（我国）目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5温海水进入闪蒸器，在负压下闪蒸汽化，产生的蒸汽进入汽轮机发电，之后排入冷凝器冷凝，冷凝水再由水泵排出温海水-闪蒸汽化汽轮机发电凝汽机液化排水泵排出淡水冷海水（1）开式循环优点：开式循环使用海水作为工质，不会污染环境开式循环不需要回收工质，没有金属换热面，没有换热面的腐蚀等问题开式循环的冷凝水是质量很好的淡水（1）开式循环一些问题：（1）开式循环系统工作在很高的真空度条件下。（2）开式循环需要大流量、低焓降的汽轮机。现有开式循环汽轮机的单机功率极为有限。（1）开式循环工质在蒸发器中吸收温海水的热量而汽化。蒸汽进入汽轮机发电。接着进入冷凝器中被冷凝，再由工质泵升压打进蒸发器中循环闭式循环使用低沸点流体代替水作为循环工质低沸点流体温海水冷海水（2）闭式循环优点：不再需要保持真空状态这样的工质蒸汽具有比较小的比容，从而可以使低沸点工质汽轮机体积大大缩小温冷海水都不直接与工质接触123（2）闭式循环一些问题：（1）闭式循环必须使用体积巨大的表面式蒸发器和冷凝器。（2）海水与工质间进行温差换热，可用功减少（3）闭式循环将不再产生副产物淡水。（4）低沸点工质泄露等可能会污染海洋环境。（2）闭式循环保留了闭式循环的整个回路，但是它不是把温海水直接通进蒸发器去加热低沸点工质，而是用温海水减压闪蒸出来的蒸汽作为蒸发器的热源。混合式循环把开式循环和闭式循环结合起来（3）混合式循环目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5热交换器热交换器尤其是蒸发器需要能在极小换热温差的条件下交换大量热量。蒸发器和冷凝器起到将液态变为气态或从气态变成液态的作用。（1）动力系统涡轮机海上温差能发电系统常采用氨透平技术。但目前的很少可以适用商业化涡轮机的日常运行和维护也较完善。主要的不确定因素来自工质泄露对环境的影响。（1）动力系统OTEC系统分为岸基型和海上型两类，又被称为岸式和浮式。岸基型发电装置设在岸上优势是维护和修理不受台风影响局限性是建厂位置条件苛刻，冷水管长度较长发电装置在船上或平台上。优势是其水管长度减短；但海上装置需要具备抗风浪能力，且需要电缆将电力输送出去海上型（2）发电平台海水管路系统由3个组件组成：温水管、冷水管以及排水用的排水管。海水管路系统AB温水管从海洋表层抽取温海水排水管的铺设需考虑不能与表层温海水混合，且不能危害海洋生态冷水管需要具备很长的大直径冷水管。同时，冷水管材质要求高强度、防腐蚀、低生物附着及绝佳的绝热能力c（3）海水管路461

257工质的工作压力要适中单位功率的工质体积流量要小不易燃、不易爆、无毒性、不污染环境对金属无腐蚀作用用过的工质易于处理或再生价格低廉，资源丰富3化学性能稳定，不易老化分解选择工质时需要考虑以下几个原则：（4）循环工质目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5（1）海水温差能发电示范系统电站Mini-OTECSAGAR-SHAKTHI瑙鲁示范项目德之岛电站伊万里示范项目骏河湾电站NELHA技术方美国日本、印度日本、瑙鲁日本日本日本美国年度1978-197920011982-19841982-198419851993设计1993-1998站址夏威夷蒂鲁琴杜尔港口瑙鲁德之岛伊万里骏河湾夏威夷大岛装机容量/kW50100010050751000210净功率/kw10493103235728.8103结构浮式浮式岸式岸式岸式浮式岸式原理闭式闭式闭式闭式闭式闭式开式研建单位洛克希德夏威夷州印度国家海洋技术研究所东京电力集团东京电力公司九州电力公司佐贺大学佐贺大学太平洋高技术研究国际中心（PLCHTR）温水入口温度/℃26.129.029.828.528.02626.0冷水入口温度/℃5.67.07.812.07.05.46.0工质氨氨氟利昂R-22氨氨氨水蒸发器表面板式管式表面表面\直接混合冷凝器表面板式管式管式表面\直接混合冷水管长度/m64511009502300\6001000冷水管直径/m0.610.90.70.60.4\1.01978年，由夏威夷州政府和几家私营公司建造于一艘驳船上，位于夏威夷岛西部沿海海域结构类型闭式循环工质氨热水口平均温度26.1℃冷水口平均温度5.6℃平均输出电力48.7kW平均净输出电力15kW冷水管长度645m（直径0.61米）热交换器总面积407.8㎡（2）美国海洋温差电站1993年，太平洋高技术研究中心在夏威夷建成210kW开式循环岸基式OTEC系统，淡水最高产率是0.4L/s。（2）美国海洋温差电站2015年8月，Makai海洋工程公司在夏威夷建造了一座100kW级岸式闭式循环型OTEC机组（2）美国海洋温差电站1985年，佐贺大学建成一座75kW的实验室装置，并得到35kW的净功率。1981年，东京电力公司在瑙鲁共和国建造了一座岸基式闭式循环电站。年内平均净输出功率为14.9kW。1982年，九州电力公司在日本德之岛建成50kW的温差混合型试验电站。平均净功率可达32kW。佐贺大学2013年在冲绳岛建立的100kW级OTEC发电机组（3）日本海洋温差电站目录Contents海洋温差能的成因与开发历史海洋温差能发电原理海洋温差能发电系统海洋温差能发电示范项目海洋温差能总结与展望7.4.17.4.27.4.37.4.47.4.5ABCD基础研究方面，小温差热力循环效率过低各类技术挑战经济方面，温差能发电装置和电站建设费用过高环境，温差能发电系统的抽水排水会导致海水重新分布。工质的泄露会带来污染总而言之，现在主要还需要解决以下问题：海洋温差发电系统造价概况海洋温差能总结总之，海洋温差能电站进入能源市场只是时间问题。但是，同时我们也必须看到不利于海洋温差能利用的一面：海洋温差能电站所需投资很大。需要政府优惠的扶持政策和对研究开发的支持。海洋温差能展望思考题：海洋温差能的来源是什么？海洋温差能发电分为哪几种循环方式，请分别简述其循环流程。海洋温差能发电方式中，闭式循环方式有什么优点和缺点？谢谢！8.1燃料电池的工作原理及输出性能目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的起源燃料电池的发展历史ox(氧气管)反应:2H2O-4e-→4H++O2hy(氢气管)反应：4H++4e-→2H2英国的格罗夫教授在电解水实验过程中，发现吸附H2和O2的Pt电极能够释放出电能，进而提出了燃料电池概念。上图是该燃料电池的格罗夫的实验装置，该装置分为上下两部分，上部为电解水装置，下部就是燃料电池。ox(氧气管)反应：O2+4H++4e-→2H2Ohy(氢气管)反应：2H2→4H++4e-燃料电池初期发展缓慢的原因：燃料电池的发展历史2.内燃机技术的迅速发展1.19世纪的科技不够发达，阻碍了燃料电池的发展燃料电池关键的铂电极无法大量生产氢气缺少来源电堆的生产工艺达不到相应的水平3.化石能源的大规模开发及使用燃料电池发展的转折燃料电池的发展历史1932年，剑桥大学的培根博士开发出第一个碱性燃料电池，该装置采用比较廉价的镍取代铂电极，以及采用不易腐蚀电极的碱性电解质--氢氧化钾取代了硫酸电解质。并于1959年真正制造出能够工作的燃料电池，其发电功率为5kW，用于给焊接机供电。阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-

燃料电池发展的转折燃料电池的发展历史

20世纪60年代，NASA寻找适合作为宇宙飞船的动力源，对各种动力源进行了分析比较，最终选定燃料电池作为动力源进行开发设计。其原因为：普通化学电池过于笨重太阳能不能持续的为宇宙飞船供电核能具有一定的危险性燃料电池能够满足1～10kw的功率要求，产物水还能作为饮用水近代燃料电池的发展燃料电池的发展历史1973年的石油危机使世界各国普遍认识到了新能源的重要性，纷纷认真思考燃料电池广泛应用的可行性，以及如何克服燃料电池商业化的困难与障碍。近代燃料电池的发展燃料电池的发展历史20世纪70年代燃料电池的研发都集中在开发新材料、寻求易得的燃料来源和降低成本上。21世纪后，世界各地已经有许多公共场所已经安装了燃料电池发电系统，也开发出了各种使用燃料电池的新能源汽车，更有了燃料电池发电站。燃料电池发电站燃料电池汽车目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池与传统热机的相同点燃料电池与传统热机的区别燃料电池的工作原理燃料电池传统热机-柴油机化学能热能机械能电能两者都只是能量转换器，而非能量储存器。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理反应物的输入为了保证燃料电池能够持续发电，必须为其连续不断地提供燃料和氧化剂。利用流场板结合多孔电极结构可以有效地实现反应物的高效输送。流场板多孔电极燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理电化学反应的发生阳极反应:2H2→4H++4e-阴极反应：O2+4H++4e-→2H2O阴极阳极反应平衡后便在各自电极形成电势差。为获得较大的电流，通常会用催化剂来提高反应速率。该反应为放热反应，在产生电能的同时伴有热能产生。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理电子与离子的传导电子的传导：任意导电路径离子的传导：电解质离子相较电子尺寸大，必须为离子提供扩散路径。为减小电池内阻，电解质层应尽量的薄。燃料电池的发电过程燃料电池的工作原理反应产物的排放产物不及时排出的危害：影响反应物与电极、催化剂的接触，造成燃料电池效率低下剩余反应物及反应产物的排放：未参与反应的氢气：顺着阳极流道从出口离开燃料电池未参与反应的氧气及反应产物：顺着阴极流道从出口排出反应产热的排除：外部冷却系统进行冷却降温目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性为了提高燃料电池的输出电流和电压以满足实际应用需求，采用以下措施：

提高输出电流：增加单体电池的截面积或者多个单体电池并联

提高输出电压：多个单体电池串联形成电池堆燃料电池的基本结构单体电池是由电极、电解质、双极板以及电池外壳等基本单元组成：单体电池电池堆电池堆往往包括数十甚至上百个单体电池燃料电池的基本结构1.电极定义：燃料发生氧化反应以及氧化剂发生还原反应的场所电极性能好坏的关键：电极的材料

、催化剂的性能、电极制作工艺等催化剂：提高电极反应的速度多孔电极：增加反应物与催化剂的接触面积，提高反应速率燃料电池的基本结构2.电解质作用：为离子提供扩散通道以及隔离阳极阴极之间的反应物固态电解质：具有离子导电能力的材料制成的无孔膜液态电解质：吸附在多孔基体隔膜内的液态电解质电解质的类别：质子交换膜燃料电池的基本结构3.双极板作用：双极板是燃料电池所特有的，它起到连接单体电池、收集电流、分配气体和热量管理等作用。分类：石墨板、金属板与复合材料板石墨板：导电性及耐腐蚀性好，但制作工艺复杂、较厚金属板：较薄、加工简单，但不耐腐蚀复合材料板：适合大量生产，但内阻较大、机械强度不足目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的电动势燃料电池的输出性能电池电动势与电池反应的吉布斯自由能的变化有关。吉布斯自由能变化可定量表示出等温等压条件下，体系对外输出非体积功的能力：△G=△H-T△S△G=Wr△G：反应吉布斯自由能变（KJ/mol)△H：反应焓变（KJ/mol）△S：反应熵变（KJ/(mol·k))T：温度（K）Wr：非体积功的最大值（KJ/mol)对于燃料电池而言，对外所做的非体积功为电能（功率与电流和电压有关），因此可得：Wr=nFEn：单个反应中转移电子数F：法拉第常数（F=96500C/mol)E：电池的理想电动势（V)燃料电池的电动势-能斯特方程燃料电池的输出性能对于化学发应aA+bB→cC+dD，其任意状态下的吉布斯自由能变与标准吉布斯自由能变的关系为：R：气体常数(R=8.314J/(mol∙K)）α是物质X的活度，若物质X为溶质，则α表示X在溶液中物质的量浓度与1mol/L的比值，若其为气体，则其表示X的分压与标准大气压力的比值△G0为标准吉布斯自由能变（KJ/mol):燃料电池的电动势-能斯特方程燃料电池的输出性能通过上述推导可得能斯特方程：对于氢氧燃料电池能斯特方程为：利用能斯特方程可以推出理论电动势，但是实际电动势小于理论值，实际电动势可表示为：其中：Eact

：活化损失；Eohm：欧姆损失；Econc：浓度损失。燃料电池的电流密度燃料电池的输出性能电流密度为单位电极面积上的电流强度：I：流过截面的电流(A)；

A：截面面积(m2)对电流密度取决定性作用的因素是燃料在燃料电池内部的利用率。在同样的外部条件下，燃料利用率越高，说明参与电化学反应的燃料所能提供的电子越多，则电池输出的电流密度越大。燃料电池的能量转换效率燃料电池的输出性能理想状态下燃料电池的转换效率：实际电压不等于理论值，因而可以定义电压效率：燃料电池的输出电流也小于理论电流，由此可以定义电流效率：综上燃料电池的实际能量转换效率定义为：目录Contents8.1.1燃料电池的发展历史8.1.2燃料电池的工作原理8.1.3燃料电池的基本结构8.1.4燃料电池的输出性能8.1.5燃料电池的工作特性燃料电池的优势：能量转换效率高燃料电池直接将化学能转化成电能，发电效率在40﹪～60﹪之间，若是加以综合利用，总效率可达80﹪环境友好燃料电池使用的氢燃料可以通过可再生能源或化工过程副气得到，其工作过程中的排放产物为水或水蒸气，清洁、无污染燃料电池的工作特性燃料电池的优势：噪音低传统热机系统必须含有转动部件，运行时噪声非常大；燃料电池结构简单而且没有转动设备，工作环境噪声低模块化程度高发电效率与规模无关，适合不同功率要求用途广泛可应用在各个领域，如在航天、家庭、移动电源都有不错的应用前景燃料电池的工作特性燃料电池的不足之处：成本高燃料电池一般采用稀有金属作为催化剂氢燃料无法高效、低成本的获取对辅助设备要求高多数为氢燃料电池，需要将其他燃料转化为H2才能利用催化剂对环境敏感（如Pt催化剂遇CO会中毒失活）密封要求高单体电池连接时必须严格密封，以防H2泄露。给燃料电池的制造与维护带来一定的困难燃料电池的工作特性什么是燃料电池？它的优缺点是什么？阐述燃料电池与一般传统电池之间、燃料电池与热机之间的差别。请写出氢氧燃料电池的阴阳极及总反应方程式。阐述氢氧燃料电池的四个工作过程。简述燃料电池电极、催化剂和电解质的功能。确定以下反应在标准温度(T=25℃)和压强(P=1atm)下的燃料电池的理论电动势：燃料为纯氢气，氧化剂为空气，空气中氧的摩尔分数为0.21，已知标准状态下氢氧燃料电池的吉布斯自由能变ΔG=-237.3kJ/mol，法拉第常数F=96485C/mol，气体常数R=8.314J/(mol∙K)。习题与思考题谢谢！8.2燃料电池的技术分类概述类型碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池英文简称AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质氢氧化钾溶液磷酸溶液熔融碳酸锂/碳酸钾氧化锆系固态高分子聚合物燃料H2天然气、甲醇、液化石油气煤气、天然气天然气、煤气H2氧化剂O2空气空气空气空气工作温度/℃60-120180-22060-120600-700600-1000分类低温型中温型高温型高温型低温型燃料电池的分类目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5碱性燃料电池该燃料电池中，电解质内部传输的导电离子为OH-，氢气在阳极发生氧化反应，而氧气在阴极发生还原反应。在阳极氢气与氢氧根离子发生反应生成水和电子。电子通过外电路到达阴极和氧气与水生成氢氧根离子，生成的氢氧根离子通过电解质回到阳极。阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-电解质：KOH→K＋＋OH-

工作原理碱性燃料电池关键组件碱性燃料电池可选催化剂种类较多，既可以是铂、钯、金、银等贵重金属，也可以采用镍、钴、锰等过渡金属作为催化剂。此外，贵金属与过渡金属组成的合金，例如铂-钯、铂-金、铂-镍、铂-镍-钴、镍-锰等合金，也都可以作为碱性燃料电池的催化剂。石墨和镍都具有较好的化学稳定性，在碱性介质中不易腐蚀，而且价格并不高，因此，适合作为AFC的双极板材料。然而，两者各有其缺点，石墨板由于质地较脆，所需厚度往往超过3mm，因此石墨双极板AFC电池堆的体积比功率无法提高；相对地，由于镍的密度比较大，以镍板作为双极板材料的AFC电池堆的质量比功率会降低。碱性燃料电池特性VS优点

缺点

碱性燃料电池可以使用非铂催化剂，如硼化镍等。这样不但可以降低成本，而且还不受铂资源的限制。

碱性燃料电池的结构可以使用塑料、石墨或者非贵重与稀有金属等较为便宜的材料。1)在以空气作为氧化剂时，

必须清除空气中所含的二氧化碳。2)当以各种碳氢化合物的重整气作为燃料气体时，必须脱除气体中的二氧化碳。3)进行电化学反应所生成产物必须及时排除，增加了成本。目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5工作原理磷酸燃料电池是以磷酸作为电解质的一种燃料电池。采用氢气为燃料，氧气为氧化剂。在阳极，氢气在电极表面释放出电子生成氢离子，氢离子通过电解质层依靠浓度差扩散迁移到阴极；在阴极，由电解质迁移来的氢离子与从外电路流入的电子及外部供给的氧气生成水。阳极：

H2→2H++2e-

阴极：

1/2O2+2e-+2H+→H2O

磷酸型燃料电池关键组件磷酸型燃料电池电极：由碳载体和铂催化剂层组成，通过化学吸附法将催化剂沉积在载体表面，电极的厚度约为0.1mm。催化剂：采用耐腐蚀的贵金属铂。这是由于磷酸的腐蚀性强，多数合金和金属受酸性电解质腐蚀严重。双极板：常用的材料是石墨，这是由于磷酸具有腐蚀性，双极板不能采用一般的金属材料制作。散热板：在每2-5个单体电池之间加入一片散热板，散热冷却剂常用水、空气或绝缘油等，其中以水为最常用的冷却剂。工作条件及特性磷酸型燃料电池工作温度：180-220℃，其依据是磷酸的蒸汽压、材料的耐腐蚀性能、催化剂的耐CO能力及电池特性。工作压力：常压至0.8MPa，通常对于小容量电池采用常压工作，对于大容量PAFC电池组，多采用加压工作。稳定性良好；余热利用中获得的水可以直接作为人们日常生活用热水；启动时间短。催化剂必须用贵金属，成本较高；若燃料气中的CO过高，催化剂将会被CO毒化而失去催化活性。优点缺点目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属的碳酸盐作为电解质，载流子为碳酸根离子(CO32-)，不需要贵金属做催化剂。燃料气为H2，氧化剂是O2和CO2。当电池工作时，阳极上的H2与从阴极区迁移过来的CO32-反应，生成CO2和H2O，同时将电子输送到外电路；而阴极上的O2和CO2与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根离子CO32-阳极：

H2+CO32-→CO2+H2O+2e-

总反应：H2+1/2O2+CO2(c)→H2O+CO2(a)工作原理熔融碳酸盐燃料电池关键组件催化剂：采用镍-铝合金，阴极材料以氧化镍为主。电解质载体：采用γ-LiAlO2和粘接剂在高温下烧结得到电解质载体。铝酸锂的结构强度高而且具有抗碳酸盐腐蚀的能力，符合熔融碳酸盐电解质载体所需的条件。双极板：通常由不锈钢或镍基合金制作而成，其具有极佳的稳定性，而且具有导电性好、热阻小的优点。熔融碳酸盐燃料电池特性VS优点

缺点

不需要贵金属做催化剂。可以使用CO含量高的燃料气体，如煤制气。二氧化碳排放量可以减少40%以上。排出高温气体余热可以回收使用或与汽轮机并联发电，复合循环发电的效率可提高到80%。1)高温以及电解质的腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性能有严格要求，电池的寿命因而也受到一定的限制。2)单体燃料电池边缘的高温密封技术难度大，增加了制造成本。目录Contents碱性燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池

固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.5固体氧化物燃料电池采用在高温下具有传递氧离子(O2-)能力的固态氧化物作为电解质，通常直接以天然气、煤气、厌氧消化气等碳氢化合物作为燃料气体，以空气作为氧化剂。在阴极，空气中的氧原子与外电路提供的电子反应而成氧离子O2-，氧离子O2-经固体电解质由阴极迁移至阳极。在阳极，燃料气体与氧离子进行氧化反应生成水(或CO2)并释放出电子。阳极：

H2+O2-→H2O+2e-

CO+O2-→CO2+2e-阴极：1/2O2+2e-→O2-总反应：

mH2+nCO+1/2(m+n)O2→mH2O+nCO2工作原理固体氧化物燃料电池关键组件电解质：主要成分是三氧化二钇（Y2O3）和氧化锆（ZrO2）。催化剂：采用掺入锶的锰酸镧(Sr-dopedLaMnO3，LSM)作为阴极催化剂，LSM不但具有较高的催化活性，而且具有良好的导电性。结构型式：有管式结构和平板式结构两种。管式结构的优点是不需要进行阳极与阴极密封，然而工艺复杂、成本较高。平板式结构相对简单，制作成本低，但是高温密封困难，目前研究人员已经成功的开发出陶瓷的复合无机密封材料，解决了平板式SOFC高温密封的问题。固体氧化物燃料电池特性VS优点

缺点

电解质是固体，因此没有电解质蒸发和溢漏的问题。无需使用贵金属催化剂，而且本身具有内重整能力，故可以直接采用天然气、煤气或其它碳氢化合物作燃料，简化了电池系统。SOFC系统的设计简单，发电容量范围大，用途更加广泛。高温工作下的SOFC的缺点是对电池材料的要求