第12章 燃料电池发电技术
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排气中污染物 天然气火力发电 石油火力发电 煤火力发电 磷酸燃料电池
6 kW 二氧化硫 2.5～230 4 550～10 900 8 200 ～14 500 不同发电厂排气的比较（ kg/10 h） 0～0.12
氮氧化物 烃 类 1 800 20～1 270 3 200 125～5 000 3 200 30～10 000 63～107 14～102
燃料电池基wenku.baidu.com原理
燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备
燃料电池的基本反应 步骤： 1:反应物向燃料电池 内部传递 2:电化学反应 3:离子传导以及电子 传导 4:产物排出
燃料电池的燃料处理系统
燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍
脱 硫 器 重 整 器 CO 转化 器 CO 去除器 重 H2：72% 整 CO2：20% 气 CO：100ppm
燃料电池发电系统关键技术
• 以MCFC-燃气轮机联合系统为例 –燃料的处理问题 –联合发电系统中的相容性问题 –联合发电系统动态性能的研究 –大功率发电系统的设计和装配问题 –联合发电系统的协调控系统的开发
部分MCFC燃料电池电厂
• 美国FCE公司2004年前建成的33座MCFC发电装置； • 美国ERC公司2006年在旧金山建成的250kW MCFC 电站； • 美国ERC公司2006年在加州Santa Clara建成的2MW MCFC电站； • 日本三菱重工2002年在德国建造的250kW MCFC电 站； • 日本1987年开发出的10kW MCFC发电装置； • 日本1993年开发出的100kW加压型MCFC发电装置； • 日本1998年建造的1MW先导型MCFC发电装置； • 意大利1996年在米兰投运的100kW MCFC电站； • 德国M-C Rower Corporation建造的MCFC电站；
优点
ü材料在高温 ü CO2必须再循 下运行会产生 环 ü熔融碳酸盐 一系列问题 电解质具有腐 ü密封问题 蚀性 缺点 ü电池部件制 造成本高 ,清华大学 ü Source: 蔡宁生, 燃料电池发电技术基础 , 退化 2007 /寿命问
ü 必须使用纯的 H2和O2 ü 需周期性地更 换KOH电解质 ü 必须从阳极及 时除水 ü电解质容易
ü 效率只有40% ü 启动时间长 ü 铂催化剂昂贵 ü 对CO和S中毒 敏感 ü 电解质是有腐 蚀性的液体，运
ü采用昂贵的铂 催化剂 ü聚合物膜和辅 助组件昂贵 ü经常需要水管 理 ü非常差的CO和
部分燃料电池产品
MTU 250kW MCFC in Magdeburg
Siemens Westinghouse 250kW SOFC
粉
尘
0～90
45～320
365～580
0～0.014
不同发电装置的噪声比较
Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009
燃料电池特性——灵活可靠的输出性能
燃料电池工作时将燃料储存的能量一半转化为电，另 一半转化为热。
各种发电方式在不同规模时的效率
Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009
AFC (碱液型)
ü阴极性能得到 改善 ü可以不使用贵 金属作为催化剂 ü材料成本低， 电解质成本非常 低廉
PAFC (磷酸型)
ü电解质价廉， 使用酸性的电解 液 ü能够直接使用 烃类化合物转换 的含有CO2的富 氢气体作为燃料 ü技术成熟可靠 性高，长期运行 性能好
PEMFC (质子交换膜)
ü所有燃料电池 中功率密度最高 ü较好的起停能 力 ü低操作温度使 其更适应便携式 应用。
燃料
水蒸气 发生器
氧气
燃料处理系统
脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用氢气与硫反应来脱硫
重整器：在高温下(700 ℃)与催化剂反应得到以氢为主的重整气
转化器：CO+H2O →H2+CO2（300 ～ 400 ℃ ） 去除器：CO+½O2 →CO2（150 ～ 200 ℃ ）
燃料电池特性——良好的环境相容性
燃料电池的优点
燃料电池独特的优点
• 转换效率高，可达60% • 没有运转部件，噪音小 • 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大
尺寸相仿的效率
• 若以氢为燃料，排放是水，可实现“零排放”
各种类型燃料电池的比较
选项 SOFC MCFC (固体氧化物) (熔融碳酸型)
ü燃料适应性 广 ü采用非贵金 属作为催化剂 ü高品位余热 可用于热电联 供 ü固体电解质 ü较高的功率 密度 ü燃料适应性 广 ü使用非贵金 属催化剂 ü高品位余热 可用于热电联 供
部分SOFC燃料电池电厂
• • • • • • • • • • • • • • 美国Westinghouse公司1998年前建成11套3~25kW SOFC发电系统； 美国Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC发电系统； 德国Siemens Westinghouse公司2002年建成220kW SOFC-燃气轮机联 合发电系统； 德国Siemens Westinghouse公司2003年建成250kW SOFC示范电厂； 德国Siemens Westinghouse公司2003年建成4座5kW SOFC电厂； 日本三菱重工1991年成功示范1kW SOFC电池堆； 日本三菱重工1993年成功示范新型1kW SOFC电池堆； 日本三菱重工1998年示范10kW SOFC系统； 日本三菱重工2001年成功示范10kW 加压管式SOFC发电系统； 日本JGU公司1995年支持示范的25kW SOFC发电装置； 瑞士Sulzer Hexis公司2001年起400套1kW 生物质SOFC发电系统； 美国ZTEK公司1995年示范运行1kW平板式SOFC发电系统； 美国ZTEK公司1998年示范运行25kW平板式SOFC发电系统； 中国上海硅酸盐研究所示范的5kW平板式中温SOFC电厂；
我国第一辆PEMFC校园车
Source：清华大学清洁能源研究与教育中心，新发电技术调查研究，2008
863-燃料电池公共汽车
燃料电池本体关键技术
• SOFC燃料电池本体关键技术 –电解质研究 –阴极材料研究 –阳极材料研究 –连接体材料研究 –密封材料研究 • PEMFC燃料电池本体关键技术 –质子交换膜研究 –催化剂及其涂覆技术的研究 –MEA技术的研究 –水平衡和热平衡技术研究
6 kW 二氧化硫 2.5～230 4 550～10 900 8 200 ～14 500 不同发电厂排气的比较（ kg/10 h） 0～0.12
氮氧化物 烃 类 1 800 20～1 270 3 200 125～5 000 3 200 30～10 000 63～107 14～102
燃料电池基wenku.baidu.com原理
燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备
燃料电池的基本反应 步骤： 1:反应物向燃料电池 内部传递 2:电化学反应 3:离子传导以及电子 传导 4:产物排出
燃料电池的燃料处理系统
燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍
脱 硫 器 重 整 器 CO 转化 器 CO 去除器 重 H2：72% 整 CO2：20% 气 CO：100ppm
燃料电池发电系统关键技术
• 以MCFC-燃气轮机联合系统为例 –燃料的处理问题 –联合发电系统中的相容性问题 –联合发电系统动态性能的研究 –大功率发电系统的设计和装配问题 –联合发电系统的协调控系统的开发
部分MCFC燃料电池电厂
• 美国FCE公司2004年前建成的33座MCFC发电装置； • 美国ERC公司2006年在旧金山建成的250kW MCFC 电站； • 美国ERC公司2006年在加州Santa Clara建成的2MW MCFC电站； • 日本三菱重工2002年在德国建造的250kW MCFC电 站； • 日本1987年开发出的10kW MCFC发电装置； • 日本1993年开发出的100kW加压型MCFC发电装置； • 日本1998年建造的1MW先导型MCFC发电装置； • 意大利1996年在米兰投运的100kW MCFC电站； • 德国M-C Rower Corporation建造的MCFC电站；
优点
ü材料在高温 ü CO2必须再循 下运行会产生 环 ü熔融碳酸盐 一系列问题 电解质具有腐 ü密封问题 蚀性 缺点 ü电池部件制 造成本高 ,清华大学 ü Source: 蔡宁生, 燃料电池发电技术基础 , 退化 2007 /寿命问
ü 必须使用纯的 H2和O2 ü 需周期性地更 换KOH电解质 ü 必须从阳极及 时除水 ü电解质容易
ü 效率只有40% ü 启动时间长 ü 铂催化剂昂贵 ü 对CO和S中毒 敏感 ü 电解质是有腐 蚀性的液体，运
ü采用昂贵的铂 催化剂 ü聚合物膜和辅 助组件昂贵 ü经常需要水管 理 ü非常差的CO和
部分燃料电池产品
MTU 250kW MCFC in Magdeburg
Siemens Westinghouse 250kW SOFC
粉
尘
0～90
45～320
365～580
0～0.014
不同发电装置的噪声比较
Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009
燃料电池特性——灵活可靠的输出性能
燃料电池工作时将燃料储存的能量一半转化为电，另 一半转化为热。
各种发电方式在不同规模时的效率
Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009
AFC (碱液型)
ü阴极性能得到 改善 ü可以不使用贵 金属作为催化剂 ü材料成本低， 电解质成本非常 低廉
PAFC (磷酸型)
ü电解质价廉， 使用酸性的电解 液 ü能够直接使用 烃类化合物转换 的含有CO2的富 氢气体作为燃料 ü技术成熟可靠 性高，长期运行 性能好
PEMFC (质子交换膜)
ü所有燃料电池 中功率密度最高 ü较好的起停能 力 ü低操作温度使 其更适应便携式 应用。
燃料
水蒸气 发生器
氧气
燃料处理系统
脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用氢气与硫反应来脱硫
重整器：在高温下(700 ℃)与催化剂反应得到以氢为主的重整气
转化器：CO+H2O →H2+CO2（300 ～ 400 ℃ ） 去除器：CO+½O2 →CO2（150 ～ 200 ℃ ）
燃料电池特性——良好的环境相容性
燃料电池的优点
燃料电池独特的优点
• 转换效率高，可达60% • 没有运转部件，噪音小 • 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大
尺寸相仿的效率
• 若以氢为燃料，排放是水，可实现“零排放”
各种类型燃料电池的比较
选项 SOFC MCFC (固体氧化物) (熔融碳酸型)
ü燃料适应性 广 ü采用非贵金 属作为催化剂 ü高品位余热 可用于热电联 供 ü固体电解质 ü较高的功率 密度 ü燃料适应性 广 ü使用非贵金 属催化剂 ü高品位余热 可用于热电联 供
部分SOFC燃料电池电厂
• • • • • • • • • • • • • • 美国Westinghouse公司1998年前建成11套3~25kW SOFC发电系统； 美国Westinghouse公司1999年建成2套100kW管式SOFC发电系统； 德国Siemens Westinghouse公司2002年建成220kW SOFC-燃气轮机联 合发电系统； 德国Siemens Westinghouse公司2003年建成250kW SOFC示范电厂； 德国Siemens Westinghouse公司2003年建成4座5kW SOFC电厂； 日本三菱重工1991年成功示范1kW SOFC电池堆； 日本三菱重工1993年成功示范新型1kW SOFC电池堆； 日本三菱重工1998年示范10kW SOFC系统； 日本三菱重工2001年成功示范10kW 加压管式SOFC发电系统； 日本JGU公司1995年支持示范的25kW SOFC发电装置； 瑞士Sulzer Hexis公司2001年起400套1kW 生物质SOFC发电系统； 美国ZTEK公司1995年示范运行1kW平板式SOFC发电系统； 美国ZTEK公司1998年示范运行25kW平板式SOFC发电系统； 中国上海硅酸盐研究所示范的5kW平板式中温SOFC电厂；
我国第一辆PEMFC校园车
Source：清华大学清洁能源研究与教育中心，新发电技术调查研究，2008
863-燃料电池公共汽车
燃料电池本体关键技术
• SOFC燃料电池本体关键技术 –电解质研究 –阴极材料研究 –阳极材料研究 –连接体材料研究 –密封材料研究 • PEMFC燃料电池本体关键技术 –质子交换膜研究 –催化剂及其涂覆技术的研究 –MEA技术的研究 –水平衡和热平衡技术研究