第12章-燃料电池发电技术课件.ppt

1、燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备燃料电池的基本反应步骤：1:反应物向燃料电池内部传递2:电化学反应3:离子传导以及电子传导4:产物排出燃料电池基本原理燃料电池的燃料处理系统水蒸气水蒸气发生器发生器燃料燃料脱脱 硫硫 器器重重 整整 器器CO转化转化器器CO去除器去除器重重 H2：72%整整 CO2：20%气气 CO：100ppm氧气氧气燃料处理系统有很多种，以天然气重整为例介绍脱硫器：采用活性碳、沸石等吸附剂或者用氢气与硫反应来脱硫重整器：在高温下(700 )与催化剂反应得到以氢为主的重整气转化器：CO+H2O H2+CO2（300 400 ）去除器：CO+O2 CO2（150 2

2、00 ）燃料处理系统燃料电池特性良好的环境相容性 不同发电厂排气的比较（不同发电厂排气的比较（kg/10kg/106 6 kWkW h h） 不同发电装置的噪声比较不同发电装置的噪声比较排气中污染物天然气火力发电石油火力发电煤火力发电磷酸燃料电池二氧化硫2.52304 55010 9008 20014 50000.12氮氧化物1 8003 2003 20063107烃 类201 2701255 0003010 00014102粉 尘0904532036558000.014Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009燃料电池特性灵活可靠的输出性能燃料电池工作时将燃料储存的能量一半

3、转化为电，另一半转化为热。 各种发电方式在不同规模时的效率Source: 肖钢，燃料电池技术，电子工业出版社，2009燃料电池的优点燃料电池独特的优点 转换效率高，可达转换效率高，可达60%60% 没有运转部件，噪音小没有运转部件，噪音小 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率尺寸相仿的效率 若以氢为燃料，排放是水，可实现若以氢为燃料，排放是水，可实现“零排放零排放”各种类型燃料电池的比较选项SOFC(固体氧化物)MCFC(熔融碳酸型)AFC(碱液型)PAFC(磷酸型)PEMFC(质子交换膜)优点优点燃料适应性燃料适应性广广采用非贵金采用非贵

4、金属作为催化剂属作为催化剂高品位余热高品位余热可用于热电联可用于热电联供供固体电解质固体电解质较高的功率较高的功率密度密度燃料适应性燃料适应性广广使用非贵金使用非贵金属催化剂属催化剂高品位余热高品位余热可用于热电联可用于热电联供供阴极性能得到阴极性能得到改善改善可以不使用贵可以不使用贵金属作为催化剂金属作为催化剂材料成本低，材料成本低，电解质成本非常电解质成本非常低廉低廉电解质价廉，电解质价廉，使用酸性的电解使用酸性的电解液液能够直接使用能够直接使用烃类化合物转换烃类化合物转换的含有的含有CO2的富的富氢气体作为燃料氢气体作为燃料技术成熟可靠技术成熟可靠性高，长期运行性高，长期运行性能好性能好

5、所有燃料电池所有燃料电池中功率密度最高中功率密度最高较好的起停能较好的起停能力力低操作温度使低操作温度使其更适应便携式其更适应便携式应用。应用。缺点缺点材料在高温材料在高温下运行会产生下运行会产生一系列问题一系列问题密封问题密封问题电池部件制电池部件制造成本高造成本高CO2必须再循必须再循环环熔融碳酸盐熔融碳酸盐电解质具有腐电解质具有腐蚀性蚀性退化退化/寿命问寿命问题题材料昂贵材料昂贵必须使用纯的必须使用纯的H2和和O2需周期性地更需周期性地更换换KOH电解质电解质必须从阳极及必须从阳极及时除水时除水 电解质容易电解质容易CO2中毒中毒效率只有效率只有40%启动时间长启动时间长铂催化剂昂贵铂催

6、化剂昂贵对对CO和和S中毒中毒敏感敏感电解质是有腐电解质是有腐蚀性的液体，运蚀性的液体，运行时必须及时补行时必须及时补充电解质充电解质采用昂贵的铂采用昂贵的铂催化剂催化剂聚合物膜和辅聚合物膜和辅助组件昂贵助组件昂贵经常需要水管经常需要水管理理非常差的非常差的CO和和S容许度容许度Source: 蔡宁生, 燃料电池发电技术基础,清华大学, 2007部分燃料电池产品MTU 250kW MCFC in MagdeburgMTU 250kW MCFC in Magdeburg Siemens Westinghouse 250kW SOFCSiemens Westinghouse 250kW SOFC8

7、63-863-燃料电池公共汽车燃料电池公共汽车我国第一辆我国第一辆PEMFCPEMFC校园车校园车Source：清华大学清洁能源研究与教育中心，新发电技术调查研究，2008 燃料电池本体关键技术 SOFCSOFC燃料电池本体关键技术燃料电池本体关键技术电解质研究阴极材料研究阳极材料研究连接体材料研究密封材料研究 PEMFCPEMFC燃料电池本体关键技术燃料电池本体关键技术质子交换膜研究催化剂及其涂覆技术的研究MEA技术的研究水平衡和热平衡技术研究燃料电池发电系统关键技术 以以MCFC-MCFC-燃气轮机联合系统为例燃气轮机联合系统为例燃料的处理问题联合发电系统中的相容性问题联合发电系统动态性能

8、的研究大功率发电系统的设计和装配问题联合发电系统的协调控系统的开发部分MCFC燃料电池电厂 美国美国FCEFCE公司公司20042004年前建成的年前建成的3333座座MCFCMCFC发电装置；发电装置； 美国美国ERCERC公司公司20062006年在旧金山建成的年在旧金山建成的250kW MCFC250kW MCFC电站；电站； 美国美国ERCERC公司公司20062006年在加州年在加州Santa ClaraSanta Clara建成的建成的2MW 2MW MCFCMCFC电站；电站； 日本三菱重工日本三菱重工20022002年在德国建造的年在德国建造的250kW MCFC250kW M

9、CFC电电站；站； 日本日本19871987年开发出的年开发出的10kW MCFC10kW MCFC发电装置；发电装置； 日本日本19931993年开发出的年开发出的100kW100kW加压型加压型MCFCMCFC发电装置；发电装置； 日本日本19981998年建造的年建造的1MW1MW先导型先导型MCFCMCFC发电装置；发电装置； 意大利意大利19961996年在米兰投运的年在米兰投运的100kW MCFC100kW MCFC电站；电站； 德国德国M-C Rower CorporationM-C Rower Corporation建造的建造的MCFCMCFC电站；电站；部分SOFC燃料电池

10、电厂美国美国WestinghouseWestinghouse公司公司19981998年前建成年前建成1111套套325kW SOFC325kW SOFC发电系统；发电系统；美国美国WestinghouseWestinghouse公司公司19991999年建成年建成2 2套套100kW100kW管式管式SOFCSOFC发电系统；发电系统；德国德国Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20022002年建成年建成220kW SOFC-220kW SOFC-燃气轮机联燃气轮机联合发电系统；合发电系统；德国德国Siemens WestinghouseS

11、iemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成250kW SOFC250kW SOFC示范电厂；示范电厂；德国德国Siemens WestinghouseSiemens Westinghouse公司公司20032003年建成年建成4 4座座5kW SOFC5kW SOFC电厂；电厂；日本三菱重工日本三菱重工19911991年成功示范年成功示范1kW SOFC1kW SOFC电池堆；电池堆；日本三菱重工日本三菱重工19931993年成功示范新型年成功示范新型1kW SOFC1kW SOFC电池堆；电池堆；日本三菱重工日本三菱重工19981998年示范年示范10kW S

12、OFC10kW SOFC系统；系统；日本三菱重工日本三菱重工20012001年成功示范年成功示范10kW 10kW 加压管式加压管式SOFCSOFC发电系统；发电系统；日本日本JGUJGU公司公司19951995年支持示范的年支持示范的25kW SOFC25kW SOFC发电装置；发电装置；瑞士瑞士Sulzer HexisSulzer Hexis公司公司20012001年起年起400400套套1kW 1kW 生物质生物质SOFCSOFC发电系统；发电系统；美国美国ZTEKZTEK公司公司19951995年示范运行年示范运行1kW1kW平板式平板式SOFCSOFC发电系统；发电系统；美国美国ZT

13、EKZTEK公司公司19981998年示范运行年示范运行25kW25kW平板式平板式SOFCSOFC发电系统；发电系统；中国上海硅酸盐研究所示范的中国上海硅酸盐研究所示范的5kW5kW平板式中温平板式中温SOFCSOFC电厂；电厂；中国科学院过程工程所示范的列管式不密封无联接极中国科学院过程工程所示范的列管式不密封无联接极SOFCSOFC发电系统。发电系统。燃料电池发展的热潮 上世纪上世纪9090年代直到本世纪初，燃料电池得到政府、年代直到本世纪初，燃料电池得到政府、企业和科研所的大力支持，形成一股热潮。在企业和科研所的大力支持，形成一股热潮。在9797到到9898年间，各大汽车公司都宣布将在

14、年间，各大汽车公司都宣布将在0303到到0505年年实现氢能燃料电池的产业化实现氢能燃料电池的产业化 我国跟随着这个热潮，投入大量的人力和物力，我国跟随着这个热潮，投入大量的人力和物力，进行研究，把氢能燃料电池奉为进行研究，把氢能燃料电池奉为“最高理想最高理想”、“终极目标终极目标”十五863重点项目，投入十几个亿 前几年，不少人提出氢能经济，把氢能比作是一前几年，不少人提出氢能经济，把氢能比作是一个新的能源时代个新的能源时代燃料电池发展的困难 随着人们对燃料电池的认识加深，在研制过程中随着人们对燃料电池的认识加深，在研制过程中遇到大量的，在相当长时期内无法克服的困难，遇到大量的，在相当长时期

15、内无法克服的困难，尤其是氢的制备，氢的运输，氢的车载，人们慢尤其是氢的制备，氢的运输，氢的车载，人们慢慢理性化起来，对它的慢理性化起来，对它的“温度温度”也逐渐下降也逐渐下降 不久以前，作为燃料电池最热烈的鼓吹者不久以前，作为燃料电池最热烈的鼓吹者美美国，在奥巴马上台以后，能源部长朱棣文宣布停国，在奥巴马上台以后，能源部长朱棣文宣布停止资助氢能燃料电池项目止资助氢能燃料电池项目限制燃料电池发展的瓶颈 氢气制备氢气制备氢不是一次能源，而只是一个载能体，必须用其他方法制备氢，如电解、天然气制氢、煤制氢等。在氢能制备中消耗许多其他的能源，排放大量二氧化碳，从全生命周期来看，根本不是零排放能源有些人把氢燃料电池说成是“From Water To Water”，这是不正确的 管道运输管道运输极易泄露、材料氢脆 存储问题存储问题高压存储（300600atm）压缩能耗高，不安全液化存储（-253 ）制冷能耗大限制燃料电池发展的瓶颈 氢能基础设施氢能基础设施根本不可能组成一个像加油站一样的网络 燃料电池本身燃料电池本身用铂作催化剂铂在全世界资源有限价格一辆燃料电池大巴的价格为150到200万美元燃料电池的寿命膜的制备都用杜邦膜燃料电池的动态响应呼声很高的氢能燃料电池实质上“身价大跌”，可是在中国，很多人的脑中，影响深刻，“阴魂不散”