《分布式能源》 课件 4.3燃料电池4个知识点

动力系统4.1燃气轮机4.2

内燃机4.3燃料电池4.4斯特林机4.5不同动力技术比较教学目标：熟悉燃料电池的构造和分类；掌握燃料电池的工作原理；了解燃料电池分布式能源系统及其发展前景。问题引入：什么是电池？电池(Battery)指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。燃料电池什么是燃料电池？燃料电池（FuelCell）是将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。特点是能量转换效率高、环境污染小，被誉为是21世纪的新能源之一，是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式和替代内燃机的动力装置。理论效率*燃料电池理论上热效率可达多少呢？理论上可在接近100%的热效率下运行。燃料电池是一种电化学的发电装置，等温的按电化学方式直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制。因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。实际效率实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，单独发电效率可达50%。如果和燃气轮机或蒸汽轮机联合循环，发电效率可达60%。进一步利用热能，综合热效率可达80%以上。使用燃料燃料电池使用的燃料：氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。燃料电池结构燃料电池主要有电极、电解质、双极板和周边系统构成燃料电池结构1、电极是燃料氧化和氧化剂还原的场所，通常厚0.2-0.5mm，分两层。一层是支撑层，多采用多孔材料设备而非简单的固体电极，作用是支撑催化剂层、收集电流与反应物质的作用。另一层是催化剂层，厚度很小。低温时电极反应很低，因此其催化活性尤为重要。此外，还要求电极导电性好、耐高温和耐腐蚀。燃料电池中的反应发生在电极表面，严格来说是电极、气体和电解质组成的三相界面上。燃料电池结构2、电解质及隔膜主要作用是提供电极反应所需的离子、导电及隔离两级的反应物质。燃料电池的电解质较为特殊，要么本身没有流动性，要么被固定在多孔的基质中。分类很多！燃料电池结构3、双极板阴极、阳极和电解质构成一单个燃料电池，工作电压约为0.7V，为了获得实际需要的电压，需将多个燃料电池连接成组成堆，两个相邻的燃料电池便通过一个双极板连接起来。收集燃料电池产生的电流、向电极供应反应气体、阻止两级之间反应物质的渗透、还起到支撑加固燃料电池的作用。燃料电池结构4、周边系统燃料电池核心为电极、电解质和双极板。但在整个分布式系统流程中，数量更多、体积更大的却是周边系统。周边系统的种类、规模和数量与燃料电池种类和所用燃料有关。供气子系统可能有燃料储存装置、重整装置、气体净化装置、气体压力调节装置、空气压缩机、气泵等。电力调节子系统可能有DC-AC转换器、电动机等。冷却系统主要是换热器。此外还有各种的控制阀。燃料电池结构简易结构图：谢谢燃料电池的工作原理整个过程没有动力机械，完成的是化学能——电能。燃料电池的电化学反应过程整个电化学反应过程：燃料电池的工作原理大家试想，阳极(Anode)和阴极(Cathode)分别发生的什么反应？阳极是燃料/还原剂发生氧化反应的场所，释放电子,那么原电池中阳极是正极还是负极呢？对外电路是负极（电势较低的电极）；阴极是氧化剂发生还原反应的场所，吸收电子，对外电路是正极。燃料电池的工作原理阴离子总是移向阳极，阳离子总是移向阴极。‘原电池中，正极=阴极；负极=阳极。电解池中，正极=阳极，负极=阴极。燃料电池的工作原理燃料和氧化物选择燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池里面的，需要不断地向电池组内输出燃料和氧化剂，同时排除反应产物。燃料与氧化物都是流体，常用的的燃料是氢气、重整气、净化煤气及部分溶液（甲醇水溶液）；氧化剂常用氧气、空气等。氢气氢气是燃料电池的首选燃料。氢气的化学反应活性高，且产物为水，可以实现零排放。氢气制备同学们想想，氢气可以怎么制备呢？甲烷、甲醇、乙醇、汽油。氢气制备在可利用的氢源中,天然气因其储量丰富,洁净无污染,转化制氢过程简单易行,受到人们的普遍关注。天然气的转化制氢工艺,通常有水蒸气法、部分氧化法和临氧自热重整法等。谢谢燃料电池的分类：1、按燃料供应方式可分为直接和间接供燃料两种，直接供是直接用某种物质作燃料，如氢气，没有中间重整过程；间接供是通过重整装置先将该物质从其他形式燃料中分离出来。燃料电池的分类：2、按电解质分类，大体可分为6种。碱性燃料电池（AFC），其电解质是KOH溶液，燃料是纯氢气，氧化剂是纯氧。其工作浓度受温度变化影响很大，若与二氧化碳反应生成碳酸钾，溶解度较低，易使被吸附的石棉基质堵塞，因此反应气体的二氧化碳需要去除。应用于航天领域。燃料电池的分类：质子交换膜燃料电池（PEMFC）其电解质是固态聚合物膜（全氟磺酸膜），允许质子通过，导电离子是H+；燃料是氢气或重整气，氧化剂是空气。燃料电池的分类：磷酸燃料电池（PAFC）其电解质是近100%的磷酸溶液，浸在多孔SiC陶瓷中，浓磷酸热稳定好，并可以吸收电极反应生成的水蒸气，因而PAFC水管理简单。燃料电池的分类：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）其电解质是混合碳酸盐，基质为LiAlO2陶瓷，导电的离子是碳酸根离子。一提到盐，一般指（锂、纳、钾）燃料电池的分类：固体氧化物燃料电池（SOFC）其电解质是多孔金属氧化物（以氧化钇稳定的氧化锆膜），导电离子是氧离子。燃料电池的分类：直接甲醇燃料电池（DMFC）电解质是甲醇，是PEMFC发展出的一种。燃料电池的分类：其它燃料电池的分类：3、按电池温度分类低温（<100℃）——AFC和PEFMC中温（<300℃）——PAFC高温燃料电池（<1000℃）——SOFC和MCFC燃料电池的优缺点优点：发电效率高。单独可达50%，联合运行更高。环境兼容性好。不存在燃烧过程，硫化物、硝化物及二氧化碳的排放极低。变负荷性能好。即使小型设备，也可以得到高效率。噪声很低、电力质量高。模块化结构。增容容易实现，占地面积较小。自动化程度高。可实现无人操作。燃料电池的优缺点缺点：市场价格昂贵。一般是内燃机、燃气轮机分布式能源系统的2~10倍。维护问题。目前还无法做到现场更换电池堆，发生故障往往要返厂维修。燃料问题。对燃料挑剔，且需高效的过滤器，经常更换，没有完善的燃料供应系统。技术尚未成熟。燃料电池的应用燃料电池的应用燃料电池系统一个燃料电池系统以燃料电池堆为核心，还包括燃料和氧化剂供应分系统、生成物和水管理分系统，热量管理分系统和功率调节（输出直流电升压、稳压）子系统。每个子系统都要围绕电池堆特性综合成一个完整的系统而设计，追求这些子系统的最佳集成是制造合理的性价比燃料电池的关键。燃料电池的冷热电联产系统发电系统的余热根据余热品质不同还需利用，可构建余热利用的燃料电池分布式能源系统或联合循环发电系统。余热来源：燃料重整系统的排热；重整过程未反应燃料；电池排气的显热；电池排出的未反应氢；燃料电池的冷热电联产系统对于中低温燃料电池，可以用内循环水或气液双层流等方法回收热量，此外，从燃料电池处理装置生成的反应气和排气中也可以进行余热回收。燃料电池的冷热电联产系统*以SOFC和汽轮机联合循环系统为例·燃料电池分布式供能系统燃料电池工作完成后，发出部分电力。残余气体在预热器中预热燃料和空气后，进入后燃室燃烧，再次升温至