第九章洁净煤发电新技术
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第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电 催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理 论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说， 燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化 为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限 制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～ 60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
第九章洁净煤发电新技术
Fra Baidu bibliotek 第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点 历史：简单地说，燃料电池(Fuel Cell)是一种将 存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电 能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池， 电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负 极和 电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不 能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的 概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大 约160年的历 史。
（2）有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音低,ＣＯ2排放因能 量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点
（4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电 站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电 池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是 分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站 都非常合适
（5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒 钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负 荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降 低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投 资和线路损失。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池（Fuel Cell），是一种发电装置，
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点 概念：在内部发生与水（H2O）电解相反的 反应、将此时产生的电流输出到外部使用的 电池。与普通电池不同，无需更换电池及充 电。不过，需要供给氢气及甲醇等燃料。通 过这些燃料中含有的氢（H）在燃料电池内部 与空气中的氧（O）发生反应，在生成 H2O 的同时产生电流。与其说是电池，倒不如说 是发电机。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池电解反应过程表示为：
阳极:2H2 4e 4H 阴极:4e 4H O2 2H2O 总反应 :2H2 O2 2H2O
燃料电池不是储藏而是连续输出电能，只要燃 料和氧化剂源源不断地供给电极，就可在排除 反应产物和热量的过程中连续输出电能。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 这个反映是电解水的逆过程。电极应为： 阳极： H2 + 2OH- →2H2O + 2e阴极： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH电池反应：H2 + 1/2O2==H2O
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有 一套相应的辅助系统，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。 燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和 其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴 极）、及两侧气体流路构成，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。
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第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 同化学电池在结构上相似的是：燃料电池也是 由阳极（又称燃料电极）、阴极（氧化电极） 和电解质构成。电池的两个电极通过外接线路 提供了电子转移的场所，电解质则构成了电池 的内回路。 以H2为燃料的反应过程：燃料和氧化剂分别 在电池的阳极和阴极借助催化剂的作用电离成 离子，并通过电解质在电极间发生迁移形成电 势差，从而使电子经外电路发生从阳极向阴极 转移，完成回路并产生电流。
第九章 洁净煤发电新技术
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
一、概述 背景：目前人类使用的能源是以石油、煤炭等为代表 的化石燃料为主 。然而大家都知道： 第一，化石能源是一种有限的、不可再生的资源；第 二，化石燃料的使用带来了严重的环境问题，威胁人 类的健康和生存；第三，国际石油争夺越来越激烈。 因此，开发和利用来源更为广泛、清洁、高效的新能 源刻不容缓。 “氢经济”：氢以其清洁无污染、高效、可储存和运 输等优点，被视为最理想的能源载体，氢能和可再生 能源结合成一个完整的可再生的能源系统，基于这个 系统的经济活动称为“氢经济”。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空
气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作 用，使得阳极的氢原子分解成两个氢质子 （proton）与两个电子（electron），其中质 子被氧『吸引』到薄膜的另一边，电子则经由 外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂 之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成 水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。
但不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不 像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池 正如其名，是继续添加燃料以维持其电力，所 需的燃料是「氢」，其之所以被归类为新能源， 原因就在此。燃料电池的运作原理（如图1）， 也就是电池含有阴阳两个电极，分别充满电解 液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构 成。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池所使用的「氢」燃料可以来自于
任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇 (酒精)、水的电解、沼气…等等。由于燃料电 池是经由利用氢及氧的化学反应，产生电流及 水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电 耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方 式，如能普及的应用在车辆及其他高污染之发 电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。
第一节 燃料电池
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第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电 催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理 论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说， 燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高 他直接将燃料的化学能转化 为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限 制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～ 60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
第九章洁净煤发电新技术
Fra Baidu bibliotek 第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点 历史：简单地说，燃料电池(Fuel Cell)是一种将 存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电 能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池， 电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负 极和 电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不 能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的 概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大 约160年的历 史。
（2）有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音低,ＣＯ2排放因能 量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点
（4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电 站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电 池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是 分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站 都非常合适
（5）负荷响应快，运行质量高 燃料电池在数秒 钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负 荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降 低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投 资和线路损失。
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第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池（Fuel Cell），是一种发电装置，
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第一节 燃料电池
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第一节 燃料电池
二、燃料电池的定义及特点 概念：在内部发生与水（H2O）电解相反的 反应、将此时产生的电流输出到外部使用的 电池。与普通电池不同，无需更换电池及充 电。不过，需要供给氢气及甲醇等燃料。通 过这些燃料中含有的氢（H）在燃料电池内部 与空气中的氧（O）发生反应，在生成 H2O 的同时产生电流。与其说是电池，倒不如说 是发电机。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池电解反应过程表示为：
阳极:2H2 4e 4H 阴极:4e 4H O2 2H2O 总反应 :2H2 O2 2H2O
燃料电池不是储藏而是连续输出电能，只要燃 料和氧化剂源源不断地供给电极，就可在排除 反应产物和热量的过程中连续输出电能。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 这个反映是电解水的逆过程。电极应为： 阳极： H2 + 2OH- →2H2O + 2e阴极： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH电池反应：H2 + 1/2O2==H2O
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有 一套相应的辅助系统，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。 燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和 其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴 极）、及两侧气体流路构成，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。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 同化学电池在结构上相似的是：燃料电池也是 由阳极（又称燃料电极）、阴极（氧化电极） 和电解质构成。电池的两个电极通过外接线路 提供了电子转移的场所，电解质则构成了电池 的内回路。 以H2为燃料的反应过程：燃料和氧化剂分别 在电池的阳极和阴极借助催化剂的作用电离成 离子，并通过电解质在电极间发生迁移形成电 势差，从而使电子经外电路发生从阳极向阴极 转移，完成回路并产生电流。
第九章 洁净煤发电新技术
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
一、概述 背景：目前人类使用的能源是以石油、煤炭等为代表 的化石燃料为主 。然而大家都知道： 第一，化石能源是一种有限的、不可再生的资源；第 二，化石燃料的使用带来了严重的环境问题，威胁人 类的健康和生存；第三，国际石油争夺越来越激烈。 因此，开发和利用来源更为广泛、清洁、高效的新能 源刻不容缓。 “氢经济”：氢以其清洁无污染、高效、可储存和运 输等优点，被视为最理想的能源载体，氢能和可再生 能源结合成一个完整的可再生的能源系统，基于这个 系统的经济活动称为“氢经济”。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空
气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作 用，使得阳极的氢原子分解成两个氢质子 （proton）与两个电子（electron），其中质 子被氧『吸引』到薄膜的另一边，电子则经由 外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂 之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成 水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。
但不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不 像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池 正如其名，是继续添加燃料以维持其电力，所 需的燃料是「氢」，其之所以被归类为新能源， 原因就在此。燃料电池的运作原理（如图1）， 也就是电池含有阴阳两个电极，分别充满电解 液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构 成。
第九章洁净煤发电新技术
第一节 燃料电池
三、燃料电池发电基本原理 燃料电池所使用的「氢」燃料可以来自于
任何的碳氢化合物，例如天然气、甲醇、乙醇 (酒精)、水的电解、沼气…等等。由于燃料电 池是经由利用氢及氧的化学反应，产生电流及 水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电 耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方 式，如能普及的应用在车辆及其他高污染之发 电工具上，将能显著改善空气污染及温室效应。