煤燃料电池资料课件

5.3 燃料电池燃料电池 5.3.1 燃料电池的原理燃料电池的原理及其特点及其特点1.传统的能源利用方式的弊病（1）能量损失大（2）污染严重2.燃料电池（1）概念（2）优点5.3.2燃料电池的原理分类及其特点 v一、燃料电池的发展历史及其现状 v1、燃料电池的发展历史v2、燃料电池的现状 v二、燃料电池的原理及分类v1、燃料电池的原理v2、燃料电池的分类 v三、燃料电池的技术特点及其应用前景v1、燃料电池的技术特点 v2、燃料电池的应用前景 v1839年，W1am-Grove（威廉姆-格洛夫）爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理。v(1)格洛夫发现4个电池串联，可用来电解水并产生H2及02。当时所用铂片宽度约6mm，浸入电解液形成的半月浸润面约2mm高，因此输出的电流很小，难于做成有实用价值的电源。但有两点对以后燃料电池的发展具有深远影响：第一次提出用氢气作为燃料电池的直接燃料电极；第一次提出反应气体、电解液和导电电极催化剂三相反应区的概念。v(2)氢作为燃料显然太贵了，固体炭是自然界最普通的燃料。因此，Grove之后的很长一段时间(直到20世纪前半叶)许多学者对固体炭燃料电池进行了多方面研究，但都未获成功，原因是：碳很难发生电化学反应;天然炭中含有灰分，不易清除且污染电解质；固体物质难于连续输送。人们最终放弃了以固体炭为直接燃料的努力，而以固体炭燃料经过气化而得到的气体燃料(含H2及CO)为燃料电池的间接燃料。日本学者高桥武彦对燃料电池反应机理描述如下4：燃料电解质氧化剂(空气或02)有两种反应途径：a)电子(外回路)燃料被氧化剂氧化生成燃料离子(内部)；b)电子(外回路)氧化生成燃料氧化剂阴离子(内部)。可见，无论是燃料还是氧化剂，能被离子化并在电池内流动是十分重要的。同时，在氧化生成物一侧并不发生离子化。v(3)1952年，FTBacon研制出具有实用性的培根电池并获得专利。其研制思路是避免采用贵重金属，并尽量获取较高的输出功率。在借鉴前人研制经验的基础上，采用双层孔径烧结镍电极，27-37%的KOH水溶液电解质，纯氢和纯氧为燃料和氧化剂，副产物是纯水。后来，培根电池专利转让给美国普拉特-惠特尼飞机公司(即现在的UTC公司)，并改进成阿波罗登月飞船的电源。当时，这是唯一能满足要求的电池，假如没有这种高性能电池，登月计划是难于实现的。因此，我们称培根电池是燃料电池由实验走向实用的里程碑性质的电池。v迄今为止，燃料电池电站已开发的主要类型有磷酸电池(PAFC)、熔融碳酸盐电池(MCFC)和固体氧化物电池(SOFC)。至于质子交换膜电池(PEMFC)则主要是针对家庭、办公室、住宅区等小型独立电站。v(1)PAFC电站的开发。v(2)MCFC电站的开发。v(3)SOFC电站的开发。v(4)PEMFC电站的开发。1、燃料电池的原理v燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实地把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。这个反应是电解水的逆过程。电极应为：负 极 H2+2OH-2H2O+2e-（1-1）正 极 1/2O2+H2O+2e-2OH-（1-2）总反应 H2+1/2O2 H2O （1-3）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、电池性能控制系统及安全装置等。1.3 燃料电池的技术特点及其应用前景v1.3.1 燃料电池的技术特点燃料电池的技术特点 v(1)不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；v(2)能量转化效率高。效率高达能量转化效率高。效率高达50-60%，通过对余热的二次利用，总效率高达，通过对余热的二次利用，总效率高达80-85%且与装置规模大小无关；且与装置规模大小无关；v(3)通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；v(4)发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组容量的自由度大；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组容量的自由度大；v(5)电池本体的负荷响应性好电池本体的负荷响应性好,具有很强的过负载能力具有很强的过负载能力,用于电网调峰优于其他发用于电网调峰优于其他发电方式；电方式；v(6)无污染，可实现污染物零排放。工作过程的唯一产物是水；无污染，可实现污染物零排放。工作过程的唯一产物是水；v(7)效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达60%，短时过载能力可，短时过载能力可达到达到 200%的额定功率的额定功率12；v(8)运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；v(9)构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，磨损之类故障少；磨损之类故障少；v(10)燃料燃料(氢气氢气)来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过电解水、生物制氢等多种方法获取氢气；可通过电解水、生物制氢等多种方法获取氢气；v(11)燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充；用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充；v(12)环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两栖使用适应多种环境及气候条件。栖使用适应多种环境及气候条件。v如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。v同时，燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。v首先、燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。v其次、燃料电池的环境兼容性好v第三、设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作v第四、燃料来源广、建设工期短、使用方便。v第五、比能量或比功率高。v第六、适用能力强。1.3.2 燃料电池的应用前景 v将来，在固定和移动式发电厂中采用燃料电池可以使对环境的污染减少到现有技术还不能达到的水平。这可用于依赖常规能源的系统，这些常规能源包括石油、柴油、甲醇或天然气等。汽车工业己选择了燃料电池作为未来的动力来源以满足减少废气排放的要求。PEMFC采用了适当的技术规范，用在移动和固定式发电、动力系统都很合适。v热电联产系统（CHP）或热电联产电厂是为需要电力以及供热或制冷的用户而设计的。根据电厂和燃料的类型，CHP的电效率约为3512。CHP电厂的能源转换是一个四级过程，在此，燃料的化学能通过热能及机械能处理过程转换为电能。燃料电池采用的是“冷燃烧”过程，直接式能量转换器将燃料电池的化学能转化为电与热。v市场研究表明对分散式发电的最大需求预计是在100到150kW的范围之间。在这个范围内，燃料电池提供了最大的效率收益，电效率可高达40；通过对热量输出的利用，单机效率可超过8010。此外，燃料电池具有出色的部分负荷特性、可靠性和静音无振动运行的方式，从环境角度来说是可接受的。用于PEMFC的天然气的碳含量很低，从而使二氧化碳的排放量大幅度地降低了。5.3.2 国内外燃料电池的发展状况v5.3.2.1 我国各种燃料电池的发展状况 v1）中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；v2）大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；v3）在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。v但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。v质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究状况v熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的研究简况 v固体氧化物型燃料电池(SOFC)的研究简况 5.3.2.2 国外各种燃料电池的研究状况 v1、磷酸型燃料电池(PAFC)v2、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)v3、固体电解质型燃料电池(SOFC)v4、固体高分子型燃料电池(SPFC)或质子交换膜燃料电池（PEMFC）5.3.3 燃料电池发电系统v5.3.3.1 燃料电池发电系统的技术特点和应用形式燃料电池发电系统的技术特点和应用形式v1.燃料电池发电的技术特点燃料电池发电的技术特点 v(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到达到50-60，组成的联合循环发电系统在，组成的联合循环发电系统在10-50MW规模即可达规模即可达到到70以上的发电效率以上的发电效率6。v(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，CO2排出量可减少排出量可减少40-60。NOx（2ppm）和）和SOx（1ppm）排）排放量很少。放量很少。v(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。和容量的影响较小。v(4)低噪音。在距发电设备低噪音。在距发电设备9米处噪音小于米处噪音小于60dB。v(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。标准。v(6)变负荷率高。变负荷率可达到变负荷率高。变负荷率可达到(8-l0)min，负荷变化范围，负荷变化范围大大(20-120%)。v(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。轻油、柴油等。v(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。v(9)占地面积小，占地面积小于占地面积小，占地面积小于lm2KW。v(10)自动化程度高，可实现无人操作。自动化程度高，可实现无人操作。2.燃料电池的应用形式燃料电池的应用形式 v(1)现场热电联供，常用的容量为0.2-1MW。v(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2-20)MW。v(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100-300MW)。v(4)燃料电池还可用于100W100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。v图5-3-1为PEMFC试验电厂16。图5-3-1 PEMFC试验电厂 5.3.3.2 我国电力系统发展燃料电池发电技术我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性和迫切性的必要性和迫切性 v1.采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一 v2.燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量 v3.采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性 v4.发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要 v5.发展燃料电池发电技术是各电力公司的迫切需要 v6.燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景 v7.与国外有较大的差距 v8.在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求 5.3.3.3 利用天然气及煤炭的发电系统v1.利用天然气的发电系统vMCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4 改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。v另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应再等量地利用发电时燃料极产生的CO2。v实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体（阴极气体，即含有O2、CO2 的气体）来除去其发生的热。v来自空气极侧的排气为高温气体，送入最终的膨胀式涡轮机进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O（水蒸汽）可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。v在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。vSOFC能和较高温度的排气构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2 的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50-60%。2.利用煤炭的发电系统利用煤炭的发电系统 v以以MCFC为例进行介绍。为例进行介绍。v（1）煤气化装置）煤气化装置 煤炭需经煤气化装置生成作为煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用可用燃料的燃料的CO及及H2，并在进入，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质前除去其中含有的杂质（微量的杂质就会构成对（微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响），这种供给的恶劣影响），这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进的工作压力，在进入入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约气体，经与部分来自燃料极（阳极）排出的高温气体（约700）相混合，调整为对电池的适宜温度（约）相混合，调整为对电池的适宜温度（约600）。）。该阳极气体的再循环是将排出的燃料气体中所含的未反应的该阳极气体的再循环是将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给向空气极侧供给O2和和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气体是采用触媒燃出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气体是采用触媒燃烧器将未燃的烧器将未燃的H2 及及CO变换成变换成H2O和和CO2后供给的。后供给的。v（2）冷却装置）冷却装置 采用阴极气体再循环，使空气极侧的排气采用阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约形成约700的高温。在这个循环回路中设置了热交换器，的高温。在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到将气体温度冷却到600，形成电池入口适宜的温度，与来，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。自触媒燃烧器的供给气体相混合。v（3）排热回收系统（末级循环）排热回收系统（末级循环）是由利用空气极侧排气的是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。第四章 燃料资源评估及各种燃料电池发电技术综合比较 v4.1 燃料电池的燃料及其资源评估v4.1.1 燃料电池的燃料v4.1.2 燃料资源评估v4.2 燃料电池发电的经济性