動力系統(tǒng)4.1燃氣輪機4.2

內(nèi)燃機4.3燃料電池4.4斯特林機4.5不同動力技術比較教學目標：熟悉燃料電池的構造和分類；掌握燃料電池的工作原理；了解燃料電池分布式能源系統(tǒng)及其發(fā)展前景。問題引入：什么是電池？電池(Battery)指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流的杯、槽或其他容器或復合容器的部分空間，能將化學能轉化成電能的裝置。燃料電池什么是燃料電池？燃料電池（FuelCell）是將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發(fā)電裝置。特點是能量轉換效率高、環(huán)境污染小，被譽為是21世紀的新能源之一，是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式和替代內(nèi)燃機的動力裝置。理論效率*燃料電池理論上熱效率可達多少呢？理論上可在接近100%的熱效率下運行。燃料電池是一種電化學的發(fā)電裝置，等溫的按電化學方式直接將化學能轉化為電能而不必經(jīng)過熱機過程，不受卡諾循環(huán)限制。因而能量轉化效率高,且無噪音,無污染,正在成為理想的能源利用方式。實際效率實際運行的各種燃料電池，由于種種技術因素的限制，再考慮整個裝置系統(tǒng)的耗能，單獨發(fā)電效率可達50%。如果和燃氣輪機或蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)，發(fā)電效率可達60%。進一步利用熱能，綜合熱效率可達80%以上。使用燃料燃料電池使用的燃料：氫氣、甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、輕油、柴油等。燃料電池結構燃料電池主要有電極、電解質(zhì)、雙極板和周邊系統(tǒng)構成燃料電池結構1、電極是燃料氧化和氧化劑還原的場所，通常厚0.2-0.5mm，分兩層。一層是支撐層，多采用多孔材料設備而非簡單的固體電極，作用是支撐催化劑層、收集電流與反應物質(zhì)的作用。另一層是催化劑層，厚度很小。低溫時電極反應很低，因此其催化活性尤為重要。此外，還要求電極導電性好、耐高溫和耐腐蝕。燃料電池中的反應發(fā)生在電極表面，嚴格來說是電極、氣體和電解質(zhì)組成的三相界面上。燃料電池結構2、電解質(zhì)及隔膜主要作用是提供電極反應所需的離子、導電及隔離兩級的反應物質(zhì)。燃料電池的電解質(zhì)較為特殊，要么本身沒有流動性，要么被固定在多孔的基質(zhì)中。分類很多！燃料電池結構3、雙極板陰極、陽極和電解質(zhì)構成一單個燃料電池，工作電壓約為0.7V，為了獲得實際需要的電壓，需將多個燃料電池連接成組成堆，兩個相鄰的燃料電池便通過一個雙極板連接起來。收集燃料電池產(chǎn)生的電流、向電極供應反應氣體、阻止兩級之間反應物質(zhì)的滲透、還起到支撐加固燃料電池的作用。燃料電池結構4、周邊系統(tǒng)燃料電池核心為電極、電解質(zhì)和雙極板。但在整個分布式系統(tǒng)流程中，數(shù)量更多、體積更大的卻是周邊系統(tǒng)。周邊系統(tǒng)的種類、規(guī)模和數(shù)量與燃料電池種類和所用燃料有關。供氣子系統(tǒng)可能有燃料儲存裝置、重整裝置、氣體凈化裝置、氣體壓力調(diào)節(jié)裝置、空氣壓縮機、氣泵等。電力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可能有DC-AC轉換器、電動機等。冷卻系統(tǒng)主要是換熱器。此外還有各種的控制閥。燃料電池結構簡易結構圖：謝謝燃料電池的工作原理整個過程沒有動力機械，完成的是化學能——電能。燃料電池的電化學反應過程整個電化學反應過程：燃料電池的工作原理大家試想，陽極(Anode)和陰極(Cathode)分別發(fā)生的什么反應？陽極是燃料/還原劑發(fā)生氧化反應的場所，釋放電子,那么原電池中陽極是正極還是負極呢？對外電路是負極（電勢較低的電極）；陰極是氧化劑發(fā)生還原反應的場所，吸收電子，對外電路是正極。燃料電池的工作原理陰離子總是移向陽極，陽離子總是移向陰極?！姵刂?，正極=陰極；負極=陽極。電解池中，正極=陽極，負極=陰極。燃料電池的工作原理燃料和氧化物選擇燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池里面的，需要不斷地向電池組內(nèi)輸出燃料和氧化劑，同時排除反應產(chǎn)物。燃料與氧化物都是流體，常用的的燃料是氫氣、重整氣、凈化煤氣及部分溶液（甲醇水溶液）；氧化劑常用氧氣、空氣等。氫氣氫氣是燃料電池的首選燃料。氫氣的化學反應活性高，且產(chǎn)物為水，可以實現(xiàn)零排放。氫氣制備同學們想想，氫氣可以怎么制備呢？甲烷、甲醇、乙醇、汽油。氫氣制備在可利用的氫源中,天然氣因其儲量豐富,潔凈無污染,轉化制氫過程簡單易行,受到人們的普遍關注。天然氣的轉化制氫工藝,通常有水蒸氣法、部分氧化法和臨氧自熱重整法等。謝謝燃料電池的分類：1、按燃料供應方式可分為直接和間接供燃料兩種，直接供是直接用某種物質(zhì)作燃料，如氫氣，沒有中間重整過程；間接供是通過重整裝置先將該物質(zhì)從其他形式燃料中分離出來。燃料電池的分類：2、按電解質(zhì)分類，大體可分為6種。堿性燃料電池（AFC），其電解質(zhì)是KOH溶液，燃料是純氫氣，氧化劑是純氧。其工作濃度受溫度變化影響很大，若與二氧化碳反應生成碳酸鉀，溶解度較低，易使被吸附的石棉基質(zhì)堵塞，因此反應氣體的二氧化碳需要去除。應用于航天領域。燃料電池的分類：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）其電解質(zhì)是固態(tài)聚合物膜（全氟磺酸膜），允許質(zhì)子通過，導電離子是H+；燃料是氫氣或重整氣，氧化劑是空氣。燃料電池的分類：磷酸燃料電池（PAFC）其電解質(zhì)是近100%的磷酸溶液，浸在多孔SiC陶瓷中，濃磷酸熱穩(wěn)定好，并可以吸收電極反應生成的水蒸氣，因而PAFC水管理簡單。燃料電池的分類：熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）其電解質(zhì)是混合碳酸鹽，基質(zhì)為LiAlO2陶瓷，導電的離子是碳酸根離子。一提到鹽，一般指（鋰、納、鉀）燃料電池的分類：固體氧化物燃料電池（SOFC）其電解質(zhì)是多孔金屬氧化物（以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜），導電離子是氧離子。燃料電池的分類：直接甲醇燃料電池（DMFC）電解質(zhì)是甲醇，是PEMFC發(fā)展出的一種。燃料電池的分類：其它燃料電池的分類：3、按電池溫度分類低溫（<100℃）——AFC和PEFMC中溫（<300℃）——PAFC高溫燃料電池（<1000℃）——SOFC和MCFC燃料電池的優(yōu)缺點優(yōu)點：發(fā)電效率高。單獨可達50%，聯(lián)合運行更高。環(huán)境兼容性好。不存在燃燒過程，硫化物、硝化物及二氧化碳的排放極低。變負荷性能好。即使小型設備，也可以得到高效率。噪聲很低、電力質(zhì)量高。模塊化結構。增容容易實現(xiàn)，占地面積較小。自動化程度高。可實現(xiàn)無人操作。燃料電池的優(yōu)缺點缺點：市場價格昂貴。一般是內(nèi)燃機、燃氣輪機分布式能源系統(tǒng)的2~10倍。維護問題。目前還無法做到現(xiàn)場更換電池堆，發(fā)生故障往往要返廠維修。燃料問題。對燃料挑剔，且需高效的過濾器，經(jīng)常更換，沒有完善的燃料供應系統(tǒng)。技術尚未成熟。燃料電池的應用燃料電池的應用燃料電池系統(tǒng)一個燃料電池系統(tǒng)以燃料電池堆為核心，還包括燃料和氧化劑供應分系統(tǒng)、生成物和水管理分系統(tǒng)，熱量管理分系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)（輸出直流電升壓、穩(wěn)壓）子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都要圍繞電池堆特性綜合成一個完整的系統(tǒng)而設計，追求這些子系統(tǒng)的最佳集成是制造合理的性價比燃料電池的關鍵。燃料電池的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的余熱根據(jù)余熱品質(zhì)不同還需利用，可構建余熱利用的燃料電池分布式能源系統(tǒng)或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。余熱來源：燃料重整系統(tǒng)的排熱；重整過程未反應燃料；電池排氣的顯熱；電池排出的未反應氫；燃料電池的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)對于中低溫燃料電池，可以用內(nèi)循環(huán)水或氣液雙層流等方法回收熱量，此外，從燃料電池處理裝置生成的反應氣和排氣中也可以進行余熱回收。燃料電池的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)*以SOFC和汽輪機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)為例·燃料電池分布式供能系統(tǒng)燃料電池工作完成后，發(fā)出部分電力。殘余氣體在預熱器中預熱燃料和空氣后，進入后燃室燃燒，再次升溫至