新能源发电辅导资料十四
主题：第八章氢能与燃料电池（第4-6节）
学习时间：2014年6月30日—7月6日
内容：
我们这周主要学习氢能与燃料电池（第4-6节）
一、学习要求
了解氢和氢能的特点及其利用情况，
掌握主要的氢的制取和储存方式，
了解燃料电池的工作原理和主要类型，
理解燃料电池的特点和应用价值。
二、主要内容
第四节燃料电池概述
（一）燃料电池的发展历史
燃料电池的研究已有170多年的历史。
20世纪50年代，燃料电池的研究得到了迅速发展。
燃料电池的实际应用开始于20世纪60年代的航天领域。
20世纪50年代，在膜和催化剂方面所取得的突破性进展，质子交换膜燃料电池获得了广泛的研究和开发。
（二）燃料电池的基本原理
燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。
燃料电池由阳极、阴极和中间的电解质及外接电路组成。
工作时，一般向阳极供燃料(氢)，向阴极供氧化剂(氧)。不断从外部供给燃料和氧化剂，燃料电池即可连续发电。最主要的燃料是氢。氧化剂是氧气或空气。为加速电化学反应，燃料电池的电极上往往都有催化剂。
催化剂一般做成多孔材料，以增大燃料、电解质和电极之间的接触截面。这种多孔电极称为气体扩散电极。
由一个阳极、一个阴极和相关的电解质、燃料、空气通路组成的最小电池单元称为单体电池；多个单体电池重叠连接形成的整体，称为电堆。实用的燃料电池均由电堆组成。
燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活组合，容量小到为手机供电、大到可与常规发电厂相提并论。
（三）燃料电池系统的构成
燃料电池系统，除燃料电池本体(发电系统)外，还有一些外围装置，用于燃料重整供应、氧气供应、水管理、热管理、逆变、控制、安全等。
这是大容量燃料电池可能具有的结构。不同类型、容量和适用场合，有些部分可能被简化甚至取消。
例如微型燃料电池、手机和笔记本电脑的燃料电池。
（四）燃料电池发电的特点
与干电池与蓄电池不同，燃料电池不是能量储存装置，而是能量转化装置。
燃料电池具有很多独特的优点：
－能量转换效率高。
－污染物排放少。
－能量转换主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。
－资源广泛，建设灵活。
第五节燃料电池的类型
1、碱性燃料电池（AFC）
以氢氧化钾等碱性溶液为电解质，以高纯度氢气为燃料，以纯氧气作为氧化剂，工作温度为60-80℃。
在所有的应用领域中，AFC燃料电池都有竞争力。其低温快速起动特性，在很多场合更具优势。
但是由于需要纯H2和O2作为燃料和氧化剂，气化净水和排水排热系统庞大，限制了其应用。
2、磷酸型燃料电池（PAFC）
以磷酸水溶液为电解质，以天然气或甲醇等气体的重整气为燃料，以空气为氧化剂，一般要用铂金作催化剂。
工作温度200℃，发电效率30%多，用白金作催化剂，对燃料要求较高。
对燃料气和空气中的CO2有耐受力，能适应多种工作环境。
3、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）
以碳酸盐为电解质；以混有CO2的O2为氧化剂；可用重整气(含H2和CO2)为燃料。电极采用镍。
工作温度为600～700℃，不需要采用贵金属作为催化剂。工作过程中放出的高温余热可回收，发电效率45%-60%。
基于上述优点，MCFC具有较好的应用前景。不过，高温条件下电解质的腐蚀性较强，对电池材料有严格要求；而且废热回收装置又大又重，MCFC只适用
于大功率发电厂。
4、固体氧化物型燃料电池（SOFC）
常采用ZrO2+Y2O3固体电解质，以重整气为燃料，以空气为氧化剂。多孔电极。
工作温度最高，约1000℃，运行压力0.3-1.0MPa。
高温下工作，不需要采用贵金属作为催化剂；但采用复合废热回收装置，体积大，质量重，只适用于大功率发电厂。
国际上正在研发400-800℃中低温SOFC电解质。
5、质子交换膜型燃料电池（PEMFC）
燃料一般为高纯度的氢气。采用以离子导电的固体高分子电解质膜。
最佳温度为80℃。工作温度低，需要采用贵金属作为催化剂。发电效率约50%-70%。
PEMFC最大优越性体现在工作温度低。起动快、功率密度高，而且只产生少量废热和液态水，不产生污染大气的氮氧化物，是汽车动力的理想电源之选。第六节燃料电池的应用领域
1、发电站
燃料电池电站效率高、噪声小、污染少、占地面积小，可能是未来最主要的发电技术之一。
2、交通工具的动力
燃料电池不会或者极少排出污染物，可解决常规汽车的尾气污染问题，而且还没有机械噪音。只要燃料供应充足，车辆行驶的里程是可以不受限制的。
3、仪器和通讯设备电源
手机、相机等电子产品的主要难题就是电源问题，寿命短，供电的维持时间也短。燃料电池可克服这一缺陷。
4、军事应用
燃料电池型号多，噪音小，适合军用。
这种重要的新型发电方式，可以大大提高燃料利用率、降低空气污染及解决电力供应、提高电网的安全性。作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式，燃料电池将在能源领域里占据举足轻重的地位。
三、习题
（一）填空题
1.燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的_________转化为_________的发电装置。
答案：化学能、电能。
2.根据所用电解质的种类，燃料电池可分为_________、磷酸型燃料电池、_________、_________和质子交换膜燃料电池等。
答案：碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池。
（二）选择题
燃料电池系统的外围装置包括（）。
A.水管理系统
B. 燃料电池本体
C.氧气供应系统
D. 控制系统
答案：A、C、D
（三）简答题
简述燃料电池的优点。
答案：
1、能量转换效率高。
2、污染物排放少。
3、能量转换主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。
4、资源广泛，建设灵活。