燃料电池基础1

燃料电池构成图
安装在柏林的250kW PEMFC燃料电 池电站
PAFC电站
燃料电池分类及特性1
燃料电池分类及特性2
磷酸型燃料电池和熔融碳酸盐型燃料电池
• 2.磷酸型燃料电池(PAFC)。它以磷酸水溶液作为电解 质，工作温度为150～220℃，发电效率达40％～50％， 放出的余热可以加热水和蒸汽用于供暖。磷酸型电池 的发电能力较小，它可用于建造小型的热电联供系统。 现在磷酸型燃料电池制造技术已达实用化水平。 • 3.熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)。它以高温下处于熔 化状态的碳酸盐(碳酸锂、碳酸钾)作为电解质，工作 温度为600～700℃，发电效率达45％～55％，不仅可 以直接利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以 带动气轮机，进行第二次发电。它的最大的特点是可 以组合成复合发电的电力回收型系统。
三、燃料电池系统
2、构成系统的各周边装置的作用如下： • (1)燃料重整系统。燃料重整系统是将所得 到的燃料转化成为燃料电池能够使用的以 氢为主成分的燃料的一个转换系统。 • 碳氢化合物的气体燃料(如天然气等)或者液 体燃料(石油、甲醇等)用作燃料电池的燃料 时，通过水蒸气重整法等，对燃料进行重 整。而在使用煤炭时，则通过煤制气的反 应，制造出以氢与一氧化碳为主要成分的 气体燃料。这些转换的主要反应装置，称 之为重整器和煤气化炉。
三、燃料电池系统
1、组成：燃料电池发电装置除了燃料电池本体之 外，还必须和以下周边装置共同构成一个系统。 主要有：# a) 燃料重整系统、 b) 空气供应系统、 c) 直流——交流逆变系统、 d) 余热回收系统、 e) 控制系统等周边装置。 f) 在高温燃料电池中还有剩余气体循环系统。 • 燃料电池发电装置的系统构成图
三、燃料电池系统
2、构成系统的各周边装置的作用如下： • (5)控制系统。控制系统是燃料电池发电装置起 动、停止、运转、外接负载等的控制装置。由 控制运算的计算机以及测量与控制执行机构等 组成。 • (6)剩余气体循环系统。在高温燃料电池发电装 置中，由于电池排热温度高，因此装设有可以 使用燃气轮机与蒸汽轮机剩余气体的循环系统。
课堂作业（2005-11-15）
• 1、燃料电池有哪些特征？ • 2、按燃料电池所采用的电解质分类，可分 为哪几类？ • 3、燃料电池系统有哪些分系统？
燃料电池的历史
• 1839年，格罗夫发表了世界第1篇有关燃料电他研究的 报告。 • 燃料电他的实用化，最早是1960年10月首次将美国通用 电气公司研制的质子交换膜燃料电池用于双子星座飞船 作为主电源。之后．1968年又在美国阿波罗登月飞船上 将碱性燃料屯池作为主电源，为人类首次登上月球做出 丁贡献。 • 美国在1967年开始了以民用为目标的研究计划，首先开 发磷酸础燃料电池。之后，以美国、日本为中心，进行 了磷酸型燃料电池实用化的工作。 • 日本于1981年的“月光计划”中，全面地开展了5类燃 料电池的研究(碱性、磷酸型、熔融碳酸盐型、团体电 解质型、固体高分子型)。而在1993年开始的“新阳光 计划”中，燃料电池成为日本政府加速实施的一个重点 计划，开始投入大规模研究。
7-2 燃料电池特征和分类
一、燃料电池特征# • (1)发电效率高；因不受卡诺循环的限制，可以 得到很高的发电效率，其本体的效率即可达到 40％~50％以上。如果将排出的燃料进行重复 利用，再利用其排热，对于中、高温燃料电池， 综合效率可达70％—80％。 • (2)污染极少，是保护环境的绿色能源。 • (3)可以使用天然气、石油、煤炭、乙醇、沼气 等等多种多样的燃料，资源广泛 • (4)由于燃料电池本体没有旋转部分，所以噪声 很小。
三、燃料电池系统
• 2、构成系统的各周边装置的作用如下： (2)空气供给装置。空气供给装置是对燃料电池供应反应 时用的空气的系统。它可以使用马达驱动的送风机或者 空气压缩机，也可以使用回收排出余气的透平机或压缩 机的加压装置。 (3)直--交流逆变系统。燃料电池所产生的是直流电，而所 需要的往往是交流电，因此要有一个将燃料电池本体所 产生的直流电变换成交流电的装置。 (4)排热回收系统。排热回收系统指回收燃料电池本体发 电时所产生的热(电池排气的含热及燃料重整系统的排 热等)的系统。
7-2 燃料电池特征和分类
一、燃料电池特征 （5）属分散电源，用途广泛 。 （6）不需要大量的冷却水，适合于内陆及城 市地下应用，对缺水的中国极为有利。
二、燃料电池分类
1、按电池所采用的电解质分类# ① 碱性燃料电池（简称AFC） （图1） ② 磷酸型燃料电池（简称PAFC） ③ 熔触碳酸盐型燃料电池（简称MCFC） ④ 固体电解质型燃料电池（简称SOFC） ⑤ 固体高分子型燃料电池（简称PEMFC）图2 ⑥ 直接甲醇型燃料电池（简称DMFC）
1、发电原理：在能量水平高的氢与氧结合产 生水时，首先氢气放出电子，具有正电荷； 同时，氧气从氢气中得到电子，具有负电荷， 两者结合成为中性的水。 • 在氢与氧进行化学反应中，发生电子的移动， 把电子的移动取出，加到外部连接的负载上 面，这种结构即为燃料电池。 • 燃料电池其原理是一种电化学装置 。燃料 电池是名符其实的把化学能转化为电能的能 量转换机器。
中பைடு நூலகம்燃料电池研究
• 中国也很早就开始了燃料电池的研究。中国科学 院大连化学物理研究所于1969年开始进行石棉膜 型氢氟燃料电他的研制，至1978年完成了两种型 号航天用石棉膜型氢氧燃料电池系统的研制，并 通过了例行的地面航天环境模拟试验。 • 20世纪70年代，天津电源研究所也研制成功了石 棉膜型动力排水的航天用氢氧燃料电池系统。此 外。还有一些高等院校和研究院所也开展了燃料 电池的研究试制。 • 在“九五”期间，燃料电池被列人国家重点科技 项目攻关计划。
二、燃料电池发电原理及电池构成
2、燃料电池构成（图） • 氢气反应的地方为燃料极，燃料极为阳极； • 氧气反应的地方为空气极，空气极为阴极 • 夹在这两个极中间通过离子传导电力的地方为 电解质。电解质是由不透气的通过离子导电的 导体组成。 • 燃料极与空气极统称之为电极。 • 由一个燃料极和空气极及电解质、燃料、空气 通路所组成的一组电池称为单体电池；多个单 体电池的重叠，称为电堆。实用的燃料电他均 由电堆组成。
二、燃料电池分类
2、按照电他的工作温度进行分类。 ① 低温燃料电池：工作温度低于100℃的，包 括碱性燃料电池和固体高分子型燃料电池； ② 中温燃料电池：工作温度在100~300 ℃的， 包括直接甲醇型燃料电池和磷酸型燃料电池； ③ 高温燃料电池：工作温度在600—l000℃的， 包括熔融碳酸盐型燃料电池和固体电解质型 燃料电他。
燃料电池基础
本节主要内容
• 7-1 燃料电池及基本原理 • 7-2 燃料电池特征和分类
7-1 燃料电池及基本原理
一、燃料电池发电----一种新的发电方式 • 燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不 经过燃烧，没有复杂的从燃料化学能转化为热能， 再转化为机械能，最终转化成电能的过程，而是 直接将燃料(天然气、煤制气、石油等)中的氢气 借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应．在 生成水的同时进行发电， • 因此其实质是化学能发电。燃料电池发电被称为 是继火力发电、水力发电、原子能发电之后的第 4大发电方式。
燃料电池与干电池和蓄电池区别
• 平时所说的干电池与蓄电他，没有反应物质 的输入与生成物的排出，所以其寿命有一定 限度； • 而燃料电池可以连续地对其供给反应物(燃料） 及不断排出生成物(水等)，因而可以连续地输 出电力。 • 燃料电池的历史。。。。。 • 中国燃料电池研究。。。
二、燃料电池发电原理及电池构成
固体电解质型燃料电池和固体高分子型燃料电池 • 4.固体电解质型燃料电池(SOFC)。它以固体氧化物烧结 体(如氧化锆)作为电解质，工作温度为 900～1000℃， 发电效率可达50％～60％。因为电解质是固体的，所以 避免了许多麻烦，维修费用也大为降低。固体电解质型 燃料电池放出的余热也能加热水或蒸汽，或向其他工序 供热，也可用于二次发电，因此，它可用于建造热电联 供系统。 • 5.固体高分子型燃料电池(PEFC)。这是一种问世不久的 燃料电池，它用氟系高分子膜作电解质，电池阴极产生 的H+能够穿过高分子膜到达阳极，并在那里被还原。 这种燃料电池的起动时间短，结构紧凑，功率密度高， 工作温度为60～100℃，便于小型化、轻量化，适合作 为可移动式电源使用。