FC原理与应用1――燃料电池课件

燃料电池原理与应用韩吉田山东大学能源与动力工程学院Phone：88399060(o),13173022361E-mail:[e-mail]本课程的主要内容本课程主要介绍清洁能源和燃料电池技术的发展历史与现状、燃料电池的基本原理、特点、结构与应用以及电化学基础；重点阐述各种类型燃料电池的工作原理、结构特点与系统集成、技术水平、研究现状和典型系统的分析与应用；氢能与燃料电池技术的发展前景与展望。本课程特别注意结合热能工程专业的特点讨论我们在清洁能源与燃料电池领域能做什么和如何做。本次课的主要内容1.能源、环境与经济2.能源利用技术比较与分析3.燃料电池原理、分类与应用举例4.氢能与氢能经济简介5.美国电动车研究生培养计划（GATE）第一章概述一、能源、环境与经济(Energy,Economy,andEnvironment,E3，3E问题）能源是国民经济发展的基础和人们生活水平提高的重要物质基础和动力，也是直接影响国民经济发展的重要制约因素之一。对于当今世界来说，人类对能源的需求越来越高，而举世关注的日益严重的全球性环境问题使环境保护已成为人类社会可持续发展战略的核心问题之一，是影响当前和今后世界各国的能源决策和科技导向的关键因素，成为能源科技发展的巨大动力。20世纪所建立的以化石燃料为主的能源利用体系已无法满足未来社会对高效清洁经济和安全的能源体系的要求，能源利用、经济发展和环境保护面临前所未有的巨大挑战。由于无节制的利用，可利用能源资源正在日益减少，石油和煤炭等化石能源的储量在可以预见的有限时间内就将消耗殆尽。以山东的能源形势为例：煤炭、火力发电、核电？由于能源结构的不合理和现有技术水平的限制，使传统能源的生产和消费造成了严重的环境污染，全球性的气候变化与温室效应密切相关。而温室效应的原因主要是由于全球目前的能源体系，即化石燃料燃烧后所放出的CO2气体。据统计，化石燃料占世界能源消耗的百分之八十以上，而且每年以3%的幅度持续增长。因此，提高能源利用效率、降低污染物排放和发展替代能源将成为21世纪的关键课题之一。到目前为止，人类社会发展的绝大部分能源转化是通过燃烧(Combustion)和热机(Heatengines)过程实现的。可将该过程表示如下：燃料的化学能热能（蒸汽或燃气）机械能电能对于火力发电厂来说，其能量转化过程为：燃料→锅炉燃烧→蒸汽→蒸汽轮机→发电机→电能以燃气轮机发电的过程也是类似的。燃烧与热机过程存在的主要问题：燃烧过程不但能源利用效率低，而且会产生大量的SOx，NOx，CO2等污染物、颗粒物、灰尘和噪声等。可以这样说，几乎所有的污染物排放都与燃烧过程有关。例如：汽车等城市交通工具的尾气排放是城市环境的主要污染源，随着汽车工业的发展，汽车尾气排放已成为举世瞩目的环境问题之一。火力发电厂的排放是另一大的污染源。热机过程由于受卡诺定律的限制，其能量转换效率是很低的。问题：目前火力发电厂的效率是多少？内燃机的效率是多少？为什么？负荷特性如何？提高的可能性？因此，目前通过燃烧和热机等的能源利用方式具有能源利用效率低和环境污染严重的双重缺点，且负荷特性不好！大型集中供电系统的安全性问题？能源利用效率低意味着大量宝贵能源资源的浪费，而污染物的排放所造成的大气、水质和土壤等污染，已严重地威胁着整个人类的生存、生活环境和社会发展。因此，传统的能源结构及其利用方式已很难适应人类生存与可持续发展的需要。面对日益严重的能源危机和环境问题，世界各国都在致力于开发可以替代传统能源的新能源体系，如太阳能、风能、生物质能、氢能、地热及核能等。人们相信，未来能源系统中，太阳能将作为一种主要的一次能源替代目前的煤、石油和天然气；而氢能则是21世纪替代汽油、煤油和城市煤气等燃料的清洁能源。出路何在？如果说现在有一种能够满足环保要求并具有远优于燃烧方式和热机的能源利用技术，那就非燃料电池技术莫属。燃料电池发电技术是继水力、火力和核能发电之后的第4种发电技术。它是一种不经过燃烧过程而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。从理论上讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电。从原理上看，燃料电池是根据电化学原理工作的，而从运行方式上看，它又与内燃机的工作方式类似。由于燃料电池具有发电效率高、环境污染少、建设时间短、降载弹性佳，而且易于余热综合利用等优点，无论是作为中央集中型,或区域分散型电厂，还是作为工厂、生活小区、建筑群的现场型分散电厂，分布式热电冷联供总能系统的驱动系统，及移动电源（如手机，笔记本电脑等）均非常合适。一个有趣的例子有人作过这样的计算，一个人吸取的食物如全部转化为热能，相当于每天12l06J，若按l00％效率以恒定速率转化为机械功，其功率约为140W。将化学能转换为机械功，基本上有两种途径：1）经由具有卡诺效率(T1—T2)/T1的理想热机；2）经由电化学过程转化为电能，从而作机械功。设想作为高温热源的人体与环境温差约为10K，则热机的效率为：(T1—T2)/T1=10/310＝3％即每天有效的机械功约为5W，还不足以维持人体血液循环系统所需功率(10W)的一半。因此，生物体系中能量转换为机械功的效率远大于理想热机所预期的效率，这就意味着生物体系中能量转换的机理可能是电化学过程等转化方式而非热机过程。因此，研究基于电化学反应过程的能量转换与利用技术具有至关重要的意义，可望为能源的高效利用和环境保护开辟了新途径。在美国、日本和西欧，燃料电池多年来一直被认为是未来最有发展前景的高效发电技术之一，广泛开展了基础理论与开发研究和工程应用示范。美国总统科技顾问将燃料电池技术列为２７项涉及国家安全的技术之一，美国《时代》周刊将燃料电池电动车列为２１世纪１０大高新技术之首。日本政府认为该技术是２１世纪能源环境领域的核心，加拿大计划将该项技术发展成国家的支柱产业。目前世界40家主要汽车厂商中的25家投巨资发展电动车，并已推出各种燃料电池电动车样车。例如，戴姆勒－克莱斯勒公司每年投入１０亿美元用于开发燃料电池，丰田公司的年投资额超过５０亿日元。对中国来说，燃料电池电动车的发展更具有特别重大的战略意义，被认为是中国汽车工业千载难逢的发展机遇－“机不可失，时不再来”。“十五”863计划能源技术领域－电动汽车专项课题为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业的竞争力，科技部在“十五”国家863计划中，特别设立电动汽车重大专项。选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合攻关。计划在“十五”期间，以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破，促进符合现代企业制度和市场经济发展要求的研发体系和机制的形成。FC简介：燃料电池(FuelCells,FCs)是一种将燃料储存的化学能通过电化学反应（不经过燃烧过程）直接转化为电能的电化学发电装置。以氢气为燃料的FC，仅有的产物是水和热量等。其主要特点是由于反应过程中不涉及到燃烧过程，因而其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，能量转换的效率可高达60~80%，实际使用效率是普通内燃机的2~3倍。且具有燃料多样化、噪音低、排气干净、对环境的污染小、没有转动部件、模块化结构、可靠性、运行性和维修性好等优点。氢氧燃料电池的原理图以氢－氧燃料电池为例说明其工作原理阳极反应：eHH222阴极反应：OHeHO222221总的反应：OHOH22221Cathode正极，阳极，Anode负极，阴极，Cathode电极的名称规定:电化学反应与一般化学反应的区别1.一般化学反应的反应物是直接接触的，不能形成电子的定向流动，对外没有电流(功)输出。2.电化学反应,反应物之间不能直接接触，有电解质隔开，电子必须经过外电路才能到达负极,在外电路形成了电子的定向流动，对外有电流(功)输出。不同发电方式的发电效率与电厂规模的关系表各类发电厂排气比较(单位，kg/106kwh)燃料电池的发展史燃料电池并不是什么新的发明，自1839年W.R.Grove制作了第一只燃料电池和1959年F.T.Bacon制作了第一只实用型燃料电池，对燃料电池的研究已经有一百七十多年的历史，但是直到20世纪90年代才实现了技术上的真正突破。“燃料电池”这个名称似乎是蒙德（Mond）和莱格（Langer）在1889年首次采用的。由于一种能将机械能转化为电能的装置—发电机的问世，使人们对燃料电池的兴趣推迟了大约60年。当时制约燃料电池研究的另一个原因是电化学热力学方面有进展而电极反应动力学方面没有取得进展。二十世纪六十年代，燃料电池为宇宙开发作出了贡献。用瓶装的纯氢和纯氧作燃料，用氢氧化钾作为电解质构成的燃料电池，为双子星座和阿波罗等宇宙飞船提供了电源。然后，燃料电池研制盛行，有的已开始致力于民用。宇宙开发用的燃料电池采用的是纯氢和纯氧，价格昂贵，作为民用的燃料电池必须另辟蹊径。有的提出采用化石燃料改性的、含有杂质二氧化碳的氢气，并用空气代替纯氧，用磷酸代替氢氧化钾碱性电解质。用改性的燃料气体，用磷酸作电解质的燃料电池需用大量高价的铂金作催化剂，所以当时许多人认为，燃料电池不可能用于民用。但是，美国联合技术公司的能源部门却一直坚持研究民用燃料电池。他们的做法是，利用天然气开发燃料电池，使天然气改性，把所得的混有二氧化碳的氢气作为燃料，用浓磷酸作为电解质。这种燃料电池利用了天然气管道网，没有输电线也能供电。1976年完成了输出功率为12.5千瓦的燃料电池的证实试验，1983年作了40千瓦燃料电池向集体住宅供电的证实试验，此外，还做了4500千瓦(4.5兆瓦)分散型燃料电池发电，向电力企业供电证实试验。1973年以来石油等化石燃料出现的危机使燃料电池研究再一次掀起了热潮。80年代末90年代初,加拿大的巴拉德(BallardPowerSystems)公司在质子交换膜燃料电池PEMFC的研发中取得了突破,使人们看到了FC的应用前景,在全球范围内掀起了燃料电池研究的热潮。我国FC的研发情况我国从60年代就开始研究与开发FC，70年代初研究较热，后来基本停滞。进入80年代又热起来了，90年代在全国范围内很热。从历史上看，FC的发展未能竞争过快速发展的燃烧发电技术，主要是FC发展过程中，相应的结构材料和工艺等的发展是时断时续的，未能清楚认识到FC的需求，而只在于使用廉价的化石燃料，大力开发火电技术而中止了FC的开发，当然也与相关基础学科与技术发展水平有关。燃料电池的分类燃料电池按照不同的分类标准可以有不同的名称。以工作温度来划分：低温、中温、高温和超高温燃料电池。以电解质的种类划分，燃料电池基本上可分五类：碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）磷酸型燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell,PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell,MCFC）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell,SOFC）质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）其中MCFC、SOFC和PEMFC型燃料电池是当前国内外研究和开发的热点和方向。以电解质的种类对燃料电池进行分类是目前较普遍采用的方法。燃料电池典型电解质工作温度(℃)优点缺点转换效率（%）碱性燃料电池KOHH2O80（1）启动快(2)室温常压下工作(1)需以纯氧作氧化剂(2)成本高70磷酸燃料电池H3PO4200对CO2不敏感(1)对CO敏感(2)工作温度高(3)成本高(4)低于峰值功率输出时性能下降40固体氧化物燃料电池ZrO2Y2O31000(1)可用空气作氧化剂(2)可用天然气或甲烷作燃料工作温度过高60熔融碳酸盐燃料电池Na2CO3650(1)可用空气作氧化剂(2)可用天然气或甲烷作燃料工作温度过高60质子交换膜燃料电池含氟质子交换膜80～100(1)寿命长(2)可用空气作氧化剂(3)室温工作(