第8-章燃料电池

第八章燃料电池§8-1概述燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置,它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水电、火电和核电之后的第四种发电系统。•效率高能量转化可高达80%，其中电能40%、热能40%（火力发电热效率35~47%左右，热电厂能量效率60~70%）•污染小燃料电池一般仅排出水和二氧化碳;燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（100~200kW级燃料电池运行噪音为65db，比室内风扇小，汽油机工作时噪音高达100db）；红外信号弱。☻特性•输出性能好在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时能作出快速响应。☻发展简史•1889年英国威廉·格罗夫（Grov）发明燃料电池，点燃伦敦讲演厅的照明灯；•1889年Mood和Langer首先采用“燃料电池”的名称，并获得200mA/m2;•发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟了近1个世纪；•20世纪50年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料电池；•20世纪60年代燃料电池成功为“双子星座”和“阿波罗”飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域；•1991年日本东京电力公司建成12MW燃料电池电站，使磷酸型燃料电池进入实用化阶段；•20世纪90年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得突破性进展，在宇航、汽车、军用移动电源、民用便携式电源和城市洁净电站等方面发展很快，十年内装备这种电源的汽车将大量上路。•我国1958年中科院长春应用化学所对燃料电池进行研究1976年有应用实例。一、工作原理在阳极上22H2OH2HO2e在阴极上221HOO22OH2e总反应2221HOHO2eQHW反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差燃料电池提供的电功燃料电池反应热§8-2燃料电池工作原理二、燃料电池的电动势基本方程式假定:燃料电池内的反应反应热与有用功相比很小；为室温下可逆定压反应u,max121212()WGGHHTSSu,maxeW燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功据自由焓的概念，系统在初终态间完成最大有用功量电动势流过电池的电流密度e121221()GGHHTSS12eppGGTT求导pGSTe21pSST21epSST幻灯片11幻灯片16幻灯片8e121221()GGHHTSSe12epHHTT12epHHTTe21pSST燃料电动势的基本方程式三、燃料电池的热量取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境介质）为系统，则系统的总熵变为)()(1212SSSSS环境介质的熵变化量燃料电池的熵变化量)(12SS=QT0TT外界环境温度因电池内过程可逆，若外界与电池温度相等0幻灯片1121()SS)(12SS21()'QSSTrev21QSSTe21pSSTrev21epQSSTTe12epHHTTe1221()HHTSSrev12QHHTTu,maxW2121()()0SSSSS燃料电池与环境交换热量：0pT0pTS2＞S1rev0Q电池从外界吸收热量，电池在闭合的电回路中所完成有用功，包括了电池内反应物系的-Δh，和外界传入的热量。①②电池放热，电池内反应物系焓的减少量-Δh中一部分以热量形式传给了外界。S2S1rev0Q幻灯片6四、燃料电池的有效效率eeWH燃料电池有效效率电功，即实际产生的有用功定压定温—反应物的焓差；定容定温—反应物的热力学能差值电池理论最大有用功u,maxWetJ实际有用功量eeWUJ工作电池的端电压u,maxeu,maxeWWHW=u,maxetWUJHJ=u,maxetWUJHJ=tViu,maxtWHeVUitJJ燃料电池热效率，在燃料电池进行可逆反应时即是电池总效率燃料电池相对内效率，又称为电池电压效率，与燃料电池工作不可逆程度有关，当过程完全可逆时=1；电池电流效率，其原因在于反应物的非电化学分解以及反应的机械损失等有效效率理论电流燃料电池热效率u,maxtWHu,max12()WHTSSu,max12t()1WTSSHH若全部过程为可逆rev21QSSTrevt1QH讨论：选择燃料电池工况，应使，也即使的绝对值最小。与反应物的性质有关，在给定的外部条件时应选择使热效率达到最大值的物质作为反应物。（1）rev0Q燃料电池从外界吸热t1rev0Q燃料电池向外界放热t1燃料电池的热效率不受卡诺循环效率的限制revQpTrevQ（2）燃料电池内部的不可逆性，部分能量转换成无效热，使燃料电池有效效率相应地降低，这时，实际效率eeWHeQHW由外界环境传给电池的实际热量1QHrev21epQSSTT五、燃料电池热效率与温度的关系燃料电池热效率和电动势都随温度而变；都有极大值点0pT电动势达极大值据基本方程12maxeHH幻灯片721e0pSST幻灯片6据等熵rev0Q☻T=Tmt1☻TTmrevt001pQT，，☻TTm0pTrev0Qt1结论：T=Tm，电动势达最大值，但其热效率并未达最大值；TTm，热效率才能达到最大值。e12epHHTT§8-3燃料电池熵产率一、影响实际燃料电池性能的因素1、燃料必须输运至与电解质液体接触的电极表面。在电极表面所发生的扩散过程是十分复杂的，涉及到多种损失。2、燃料电池内的反应物在反应后必须离开其各自电极，这时将发生复杂的扩散过程，且产生多种损失。3、燃料电池内在电极上进行的反应，一般在固体（电极）、液体（电解液）和气体（燃料组分）三相分界面上进行，应设计合理的电极结构，提供稳定的三相反应界面。4、电解质液体中须有适当的离子载体。另外，要求电解液不腐蚀电极，且不使氧气或燃料溶解其中。5、电极性能直接影响到其表面电子迁移的性能，因此，选择优良传导性的电极有举足轻重影响。实际燃料电池由于存在着迁移、扩散等过程，电化学反应以及传热温差等不可逆因素，实际燃料电池的热力过程是不可逆过程。二、燃料电池熵产率（1）稳定工况；（2）忽略流体动能和位能的变化；（3）电池工作温度TTo（To为环境温度）；（4）电池内进行等温等压完全化学反应；（5）忽略浓度差极化过电位，只考虑电极的电化学极化，由Tafel公式，阴极和阳极过电位假设：0(/)ln(/)ccRTnFIAi0(/)ln(/)aaRTnFIAi通用气体常数法拉第常数电流交换电流密度阴极面积阳极面积燃料每个分子释放的电子数（氢氧燃料电池n=2）传递系数α+β=1阴极和阳极的过电位之和0ln(/)cacTIAi常数为方便起见，取Ac=Aa=A（6）燃料电池的温度系数为负值。即温度升高，电动势减小，电池工作时，向环境等温放热。实验表明：电池电动势与工作温度有以下简单线性关系：pbT（b0，是与温度T无关常数）（7）燃料电池的输入，输出口的温度和压力均相同。幻灯片16燃料电池装置不可逆熵产率011iTT电池与环境热交换引起的熵产率电池内部不可逆过程引起熵产率，等于电极极化和电解液欧姆电阻熵产率之和TRIIii/)(2电池内阻装置的能量方程1m12m23m30mmmqHqHqHPHP质量流量（mo1/s）摩尔焓输出功率下标1，2，3分别代表燃料、氧化剂和生成物电池的工作电压'()iIR极化过电位输出功率P='I()iIIIRHP幻灯片16电池系统的最大可逆功等于进出口物系的吉布斯自由焓之差1m12m23m3()mmmqGqGqGGI燃料、氧化剂和生成物的摩尔吉布斯自由焓Gibbs-Helmholz方程pGGHTTepIHATTpGIHTT12eppGGTTpIHITHITbTpbT幻灯片14幻灯片6单位面积电池'PIHP'IITbI011iTTTRIIii/)(20ln(/)cacTIAi联立求解幻灯片14000[ln(/)]1iIcTIAiIRTIbTT幻灯片15三、电流恒定时燃料电池最佳工作温度000[ln(/)]1iIcTIAiIRTIbTT由Arrhenius方程'00011lnlniQiiRTT温度为To时的交换电流密度活化能，可近似为是常数电池的欧姆内阻，主要是电解液电阻，电解液摩尔电导与温度关系为00[1()]TT温度为T0时的摩尔电导电导温度系数，＞0Ri与温度关系为001()iRRTT温度为T0时电池内阻0IT1201001lnIRTTacIfT'0[ln]abciiQcfR§9-5燃料电池运行经济分析燃料电池有效效率eηtVi燃料电池运行经济分析包括三部分：1、固定资本费用R（1）用于设备的厂房方面的资本利息；（2）设备折旧费；（3）清偿安装费和用于此项目的设计和研究费；（4）保险费；（5）各种相关税金；（6）其他。特征：☻费用是相对恒定的，一般不会年年改变；☻与装置的输出功率无关。以最大功率Pmax工作时：max(1/)CxLR每单位最大功率的投资电池装置使用寿命已投资金额的利率一年中电池工作时间所占的比例。单位：元/千瓦·小时2、固定生产费用F3、比例生产费用K（1）维修和操作人员的工资；（2）供维修用的消耗物资；（3）供维修（不是供生产）用燃料。本质上仅指消耗掉的燃料、氧化剂的费用，还可能包括生产最高功率所需的任何附加费用。特征：这些费用，包括动力设备的维修费，不管是否已经装置启用，是必须支出的。F等于单位时间内整个装置的运行的费用除以所生产的最大功率Pmax。由二部分组成：固定费用和取决于电池使用程度的维修费用。fuelCKE燃料的单价以最大功率运行时的能量效率以最大功率运行时的能量单位：元/千瓦·小时若装置不是以最大功率工作pracmaxPfP实际功率负载系数在，0.1~0.7之间总费用C=R+F+K=F+fWLxc)/1(max+fuelEc当负载系数f为某一特定值时，总费用C有一最小值。§9-5各类燃料电池简介主要类型按电解质不同分为五类：AFC—碱性燃料电池；PAFC—磷酸燃料电池；MCFC—熔融碳酸盐燃料电池；SOFC—固体氧化物燃料电池；PEMFC—质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池由若干但电池串联而成，电解质为固体聚合物阳极反应2H2H2e阴极反应221O2H2HO2e电池总反应2221HOHO2PEMFC的优点1.工艺结构简单，开发投入相对较少；2.可在室温下快速启动投入运行；3.不使用腐蚀性电解液，安全可靠；4.