燃料电池

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燃料电池的基本介绍、原理及应用演讲人:燃料电池发展历史产生发展工作原理分类碱性燃料电池固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料磷酸盐燃料电池质子交换膜燃料电池直接甲醇燃料电池应用现状及前景主要内容燃料电池的诞生及发展燃料电池的定义:燃料电池的名称是由L.Mond和C.Langer两位化学家首先提出的,它是一种以氢为主要燃料,把燃料中的化学能通过电化学反应直接变换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。一、燃料电池发展重要事件燃料电池的起源追溯到19世纪初,瑞典科学家Schonbein教授于1838年首先发现了燃料电池的化学效应,接着英国的Grove爵士于1839年发明了“气体电池”。Grove的实验设想来源于水的电解实验,他设想将电解实验逆转过来,然氢、氧反应就可以产生电流,左图即为验证的实验装置。第一个实用的燃料电池装置1889年,L.Mond和C.Langer两位化学家首先提出“燃料电池”一词。后来又尝试用空气与工业煤气分别取代氧气与氢气,从而制造出了世界上第一个实用的燃料电池装置。一个重要的改良1932年,剑桥大学的培根博士A.Schmid所提出的多孔结构的气体扩散电极概念而开发出双孔电极,并将Mond和Longer所发明的装置加以改良。最终在1959年真正制造出了一台5kW的燃料电池。为现代燃料电池的商业化奠定了基础。年份开发情况1838C.F.Schonbein发现燃料电池原理1839WilliamR.Grove发明燃料电池(当时称“气体电池”)1889L.Mond和C.Langer将“气体电池”正名为“燃料电池”1902Reid提出碱性燃料电池1923Schmid提出气体扩散电极概念1932Heise开发出以蜡为疏水剂的疏水电极1959Bacon开发出可以工作的6kW碱性燃料电池Allis-chalmers公司开发出碱性燃料电池农用拖拉机1960GE公司,Grubb和Niedrach开发出Grubb-Niedrach燃料电池1962GE公司,GeminiSpaceMission应用高分子电解质燃料电池于双子星太空任务燃料电池发展年鉴年份发展情况1965应用Teflon(聚四氟乙烯树脂)于疏水气体扩散电极P&W公司,ApolloSpaceMission应用碱性燃料电池于阿波罗太空任务1972杜邦公司开发出Nafion质子交换膜1967~1976惠普公司主导“目标”的磷酸燃料电池开发项目1981~1992“月光计划”中日本首度执行燃料电池开发计划1992JPL首度将Nafion膜应用于直接甲醇燃料电池1993加拿大巴德拉公司推出质子交换膜燃料电池电动汽车1998CaFCP(加州燃料电池伙伴联盟)成立2002丰田、本田一出租方式正式推出燃料电池乘客车美国政府推出“自由车”燃料电池电动车发展计划2003美国政府推出“自由燃料”氢能发展计划中国研究开发进展中科院大连物理化学研究所中科院大连物理化学研究所牵头在全国展开了质子交换膜燃料电池的材料和电池系统的研究,并组装了多台各种功率(1~25千瓦)的电池组和电池系统。成功研制100千瓦燃料电池发动机。国内首个管型中温固体氧化物燃料电池堆。在燃料电池核心部件膜电极三合一制造技术研究领域取得新突破,开发了常压质子交换膜燃料电池发动机,技术性能达国际先进水平。承担的中科院知识创新工程重大项目“大功率燃料电池氢源技术”取得重大进展,75千瓦级大功率甲醇转化制氢燃料电池氢源系统成功运行,使其在该领域的技术研发持续保持国内领先地位并处于国际前沿。“超越”燃料电池汽车2003年8月,装载第一代燃料电池发动机的“超越一号”问世,也是国内首台燃料电池轿车。2004年5月,“超越二号”完成,性能比一代大幅提升。2006年6月,“超越三号”获国家电动汽车重大科技专项支持,并在“比比登清洁能源汽车大赛”中获得两项第一。“楚天一号”武汉理工大学与东风汽车公司联手研发的25kW氢燃料电池作为动力的新型轿车。“楚天一号”的燃料电池发动机具有功率高、响应速度快、输出功率强的特点,最高时速超过100公里,其体积接近于传统发动机,完全适于安装在轿车前舱。该车具有完全独立的自主知识产权,其整车达到国内先进水平,与国际水平同步。美国20世纪60年代和70年代,美国首先将燃料电池用于航天,作为航天飞机的主要电源。此后,美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。在北美,各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟,各公司分别承担相应的任务,生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下,推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC,也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池,其燃料效率比内燃机提高1倍,而产生的污染则只有内燃机的5%。国外的发展情况欧洲在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的DeNo公司处于领先水平。德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”,它以低温储存的氢和空气作燃料,发电功率达20kW,电压为90V,且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制,并把制动时产生的能量储存在蓄电池里,以备汽车起动或加速时使用。日本在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池,且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC),1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂,该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中,90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。富士电机已提供了70多座电站,现场寿命超过10万小时。加拿大(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司,自1983年以来,Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下,为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统,以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车,装备105kW级PEMFC燃料电池组,能载客20人,对于一般城市公共汽车,采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。燃料电池的工作原理及构造氧化还原反应在一些化学反应中,会发生电子的转移,失电子的物质被称作还原剂,得电子的物质被称作氧化剂。ACuZne−e−H2SO4Zn-2e-=Zn2+2H++2e-=H2还原剂:Zn氧化剂:H2SO4正极负极燃料电池的原理总反应方程式:H2+1/2O2=H2O燃料电池的构造燃料氧化剂电解质阴极阳极工作原理首先应使燃料离子化,以便进行电极反应。由于大部分的燃料为有机化合物且为气体,这就要求电极具有催化剂的特性也就是“电催化”作用),并且为多孔质材料,以增大燃料气、电解液和电极三者的三相接触界面,促进电子授受反应的进行。三相区:发生电子授受反应的气、液、固三相接触界面称为三相区。这种多孔电极称为气体扩散电极或三相电极。燃料电池与传统电池相同点:都是将活性物质的化学能转化为电能。不同点:燃料电池本身不存储活性物质(反应物),而只是一个催化转换元件。形象的说它是一个能量转换装置。燃料电池传统电池燃料电池与传统热机传统热机发电:燃料电池发电燃料电池的特点效率高:燃料电池的发电方式,是按照电化学的原理,直接等温地将化学能转变成电能,它与柴油一汽油发电机近似,但它不是热机,没有燃烧过程、不受卡诺循环的限制、转换次数少、效率高。根据热力学第二定律,热机最多只能将(T2–T1)/T2倍的燃烧热能转变成机械功,即卡诺循环效率:T2−T1T2×100%T2——高温热源温度T1——低温热源温度燃料电池最高效率:燃料电池实际效率:WR∆h×100%FEn∆h×100%——燃料电池产生的电能——燃料电池化学反应所释放的全部能量F——法拉第常数,F=96484.56C/mol——理想电池电压对比以上两种效率可知燃料电池的效率主要取决于单体电池的电压,而与发电量无关,也不受卡诺循环的限制。大部分内燃机的能量转化效率在18%~24%,在没有利用余热的情况下,燃料电池的效率可达45%一65%,它的整体电热联产效率可达90%以上。然而由于各种极化的限制,目前正在工作中的燃料电池的实际电能转换效率在40%一60%之间,热电联产效率可达80%。这个效率与其他任何型式的发电技术相比,平均单位质量燃料所能产生的电能(除了核能发电以外)是最高的。噪声低:当前普遍采用的传统发电技术中,包括火力发电、水力发电、核能发电等,其主要发电装置是大型涡轮机,涡轮机是一种结构复杂的大型高速旋转机械,在旋转过程中会产生非常大的噪声。与此相反,燃料电池的结构简单,没有旋转机件,理论上可以实现“零噪声”地将燃料的化学能转变成电能。但实际上,由于其外围设备如泵类及冷却风机的存在,井不能实现零噪声运转,仍然有一些噪声存在,但比较小。实验证明,距离40kw磷酸燃料电池发电设备4.6m处的噪声值为60dB,而4.5MW和11MW的大功率燃料电池发电设备的噪声值低于55dB占地面积小、建造时间短:由于燃料电池发电厂没有常规火力发电厂那样复杂的锅炉、汽轮发电机等庞大的成套设备,用水量也很少,所以使占地面积和工程量大大减少,再加上电池组件化(如4.5MW的试验装置由460个电池组件组成),设计、制造、组装都十分方便,建设周期短,扩建也容易,可以完全根据实际需要分期筹建。对于容量为几百千瓦的燃料电池发电站而言则更加容易。日本最大燃料电池污染小:燃料电池以氢气为主要燃料,它清洁、无污染,而且不会产生二氧化碳温室效应气体。当采用化石燃料如煤、石油、天然气等作燃料时,要经过重整反应来提炼出富氢燃料作为燃料电池的燃料,而在重整改质过程中虽然也会产生一些污染物和二氧化碳,但比热机过程要减少40%以上,可以有效地减缓地球的温室效应与大气污染,其次,由于燃料电池所用的燃料气体在反应前必须脱硫,而且燃料电池的电化学反应发电不经过燃烧,所以它不冒烟,几乎不排放SOX与NOX、,也减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时,它的排放产物只是纯水。所用燃料广泛:全球正在以非常快的速度耗尽几十亿年来大自然所储存的能源与资源。如煤、石油等化石燃料及天然气等,这些都是非再生能源,用完后是无法再补充的。而核能的安全性又受质疑,太阳能的能量密度又低,是否能够取代现有的能源使用方式,还是个问号。对于燃料电池而言,只要是含有氢原子的物质(例如天然气、石油、煤炭等汽化产物,或是沼气、酒精、甲醇等),都可以作为燃料使用。因此,燃料电池非常符合能源多元化,可以减缓主流能源的耗竭。用途广:燃料电池的发电容量由单体电池的功率与数目来决定,无论发电规模大小均能保持较高的发电效率。因此,它的机组大小与发电规模具有弹性。日前发展中的燃料电池所能提供的电力范围在1W~1000MW之间,因此可应用的产品也非常多,包括便携式电力、车辆电力、现场型汽电共生电厂、分散型电以及集中型电厂等。燃料电池的分类质子交换膜电池碱性燃料电池熔融碳酸盐燃料电池磷酸燃料电池直接甲醇型燃料电池固体氧化物燃料电池燃料电池(FC)AFCPAFCSOFCDMFCMCFCPEMFC燃料电池类型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC电解质KOH溶液磷酸碳酸锂/碳酸钠(ZrO2)1-x(Y2O3)x质子交换膜阳极PtPt/CNi/CrNi/YSZPt/C阴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