网络教育学院《新能源发电》课程设计题目：燃料电池的利用学习中心：层次：专升本专业：电气工程及其自动化年级： 2015 年春季学号：学生：辅导教师：完成日期： 2017 年 1 月 12 日2016年9月份《新能源发电》课程设计燃料电池的利用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，被称为继水电、火电、核电之后的第四代发电装置。

国际能源界预测，燃料电池将是21世纪最有吸引力的发电方式之一。

一．燃料电池发展现状及原理1. 燃料电池发展现状发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及2内燃机而广泛应用于发电及汽车上。

值得注意的是这种重要的新型能源可以大大降低空气污染及解决电力供应，电网调峰问题。

燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命，燃料电池的高效率，无污染，建设周期短，易维护及成本低潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。

如今，在北美，日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电，水电，核电后的第四代发电方式。

燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源，电力行业不得不正视的课题。

2. 燃料电池的基本原理燃料电池是藉由电池内发生燃料燃烧反应而将化学能转换为电能的装置，负极除作为燃料与电解质的共同接口，并对燃料的氧化反应作催化；而正极则为氧气与电解质的共同接口，亦对氧的还原作催化。

燃料电池因电解质不同而有不同的名称，有磷酸型( PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸盐型( MCFC，melt carbonate fuel cell ) 与固态氧化物型( SOFC，solid oxide fuel cell ) 与质子交换膜型( PEMFC，对于以氢氧作燃料的燃料电池反应如下所示，而其于碱性溶液中的电极反应为：正极1/2O2 + H2O + e- -------> 2OH-负极H2 + 2OH- -------> 2H2O + e-全反应1/2O2 + H2 -------> H2O上述反应仅为氢氧燃料电池的反应式，对所采取的不同燃料反应亦将有所改变。

而为加速电极反应，电极中通常会加入催化剂如铂，但铂在150℃时会被CO 所毒化而失去催化的效果，因此多加入铑或铱于铂之中。

一般而言，对氧气最佳的催化剂为少量含金或银的铂钯混合物。

此外，燃料电池将化学能转化为电能的效率相当高，约为60%~90%之间。

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

二．燃料电池的构成及特点燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。

PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H ）相关，发生的反应为：（1）燃料极：H2=2H+ 2e-（2）空气极：2H +1/2O2 +2e-=H2O（3）全体：H2 +1/2O2=H2O在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H 和e-，H 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。

e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。

一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。

并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。

但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。

引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。

因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。

组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。

堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。

三．燃料电池的类型1. .燃料电池按根据工作原理可分为酸性电池、碱性电池及其他新型电池。

2.燃料电池按温度划分，可划分为4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC 和SOFC)的性能，介绍一下高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的类型。

大多数工业集团公司的注意力集中在以下4种主要类型上：(1)运行温度在60-80℃之间的聚合物电解液隔膜型燃料电池(PEMFC)；(2)运行温度在160-220℃之间的磷酸类燃料电池(PAFC)；(3)运行温度在620-660℃之间的熔融碳酸盐类燃料电池(MCFC)；(4)运行温度在880-1000℃之间的固体氧化物燃料电池(SOFC)。

各种类型的燃料电池在相应的工作温度下，它们的能量转化效率高，高比功率，高比能量。

各种类型实用装置的功率容量差别也很大，可以给笔记本电脑及移动电话供电(数以W计)，也可以给居民住宅(数kW)或是分散的电热设备和动力设备(数百KW到数MW)供电。

最适于用来驱动汽车的是低温型燃料电池。

3.燃料电池按所用原始燃料大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。

(1)氢燃料电池通用汽车公司已研制成功使用液氢燃料电池产生动力的零排放概念车“氢动一号”，该车加速快，操作灵活，从0~100km/h加速仅16秒，最高时速可达140km/h，续驰里程400km。

空气产品公司、普拉克斯公司作为领先的液氢供应商，其供氢站已经可为氢燃料电池汽车供应24~34MPa的液氢。

2003年4月林德公司为德国Adam Opei公司建造了世界上第一座70MPa氢气充气站，这标志着以氢气为动力的汽车社会进入一个重要的里程碑。

与常规的35MPa系统相比，70MPa技术有较高的贮氢密度，可复盖燃料电池汽车60%~70%的范围。

这一技术进展使燃料电池汽车行驶里程可超过400 km，这是推广使用以压缩氢为动力的汽车最重要的前堤之一。

(2) 甲烷燃料电池使用甲烷（天然气）作为燃料电池的燃料可避免贮氢和补充氢燃料的后勤问题。

但是，在燃料电池的阳极直接氧化甲烷还很困难。

在固体氧化物燃料电池中，如工作温度超过800℃，会发生碳质沉积物污染电极问题，如温度低于800℃，则会降低功率密度。

美国西北大学和宾夕法尼亚大学采用改进固体氧化物燃料电池性能的方法，在镍系阳极中加入氧化钇并掺杂二氧化铈形成多孔电极，仅650℃就能达到很高的功率密度，这样的温度也不会引起碳沉积问题。

（3）甲醇燃料电池戴姆勒-克莱斯勒公司、巴斯夫公司、BP公司、Methanex公司、Statoil公司和Xcellsis公司联合将甲醇燃料电池汽车推向商业化，开发了以甲醇为燃料的燃料电池汽车—NECAR 5。

甲醇是一种理想的液体贮氢介质，在常温下为液体，可像汽油或柴油燃料一样运输、贮存和处理。

甲醇转化制氢所用的催化剂为巴斯夫公司提供的氧化铜催化剂和其他金属氧化物催化剂。

在甲醇和水混合进入转化器后，高活性的催化剂可使甲醇转化产生大量氢气，工作温度为200~350℃。

NECAR 5的推出，标志着甲醇燃料电池技术向商业化迈出了重要一步。

（4）.乙醇燃料电池美国明尼苏达大学开发了具有商业化潜力的反应器，该反应器可从乙醇制取燃料电池用氢。

如果被确证，这可望首次从可再生资源生产氢气，而不是从烃类或甲醇生产氢气。

该工艺过程对于主要为液体燃料贮存的小型便携式燃料电池，可低费用地产生氢气。

乙醇和水在一个汽车燃料用喷射器中混合后，藉铑-二氧化铈氧化生成氢气和二氧化碳，该反应是有吸引力的，因为氢气可从乙醇和水获取，潜在产率可望提高。

该过程在现有乙醇价格下具有竞争性，并且可望使用未经脱水就可用作燃料的较廉价的乙醇。

四．燃料电池应用的发展趋势进行展望由于燃料电池理想化转换效率可以达到83%左右，目前实际的转换效率大概在 45%-60%之间，内燃机转换效率大概在 30%-40%之间。

与传统的发电方式相比，燃料电池不需要经过热能转换这一环节，不需要通过气体受热膨胀做功，因此不受热能卡诺循环限制，能量转换效率高。

2015 年全球燃料电池出货量比 2014 年增长了 12.4%，达到 72,500 组，总容量超过 342.6MW，比 2014 年增长了 84.8%。

北美和亚洲安装容量合计占比 91.0%，分别占比 40.8%、50.3%。

在应用领域，固定发电和交通运输总计占比 99.8%，分别占比 59.3%、 40.5%，固定发电市场依然是主要市场，便携式应用市场几乎可以忽略不计。

燃料电池既适用于建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源，如电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等小型便携式电源。

下游应用分为三类，便捷式（如充电器）、固定发电（如发电站）、交通运输（如叉车、轿车及客车）。

目前商业化应用最广泛的是 MCFC、SOFC 及 PEMFC，其中 PEMFC 以其功率密度大、体积小、质量轻、室温下即可工作、起动迅速等优点被大量应用于交通运输领域，如汽车。

MCFC、SOFC 因为高温、启动慢，但其成本低、功率大等特点，在便携式领域和交通运输领域应用非常少，在固定发电领域有一些应用，如固定式燃料电池电站、家用热电联产。

目前，PEMFC 在微型便携电源和小型移动电源的应用上，已达到产品化程度，在 2005-2010 年间，单是小型电源领域，全世界已经有超过 15 万套燃料电池交付使用，总功率超过了 15MW，其中 96%是质子交换膜燃料电池。

但从整体市场规模看，目前应用规模仍然非常小，发展缓慢。

便携式产品因其移动性特点，需要随时携带燃料用以续加，或者随时能找到加燃料的地方，但携带燃料极为不便，比如乘坐飞机、高铁，不允许携带燃料气体。

另外，人们对于氢气等燃气用在便携式产品上，心里存在安全担忧。

除了成本之外，这都阻碍了燃料电池在便携式领域的应用。