新型燃料电池的研究毕业论文

新型燃料电池的研究毕业论文 毕业设计,论文， 题目名称:新型燃料电池的研究 新型燃料电池的研究 Research on new type fuel cells 摘要 能源是经济的的基础。人类为了更有效的的利用能源，一直进行着不懈的努力。利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革，每一次变革都极大的推进了社会文明的发展。二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以存储而应用受限;电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中存在能量损耗大，难于存储的缺点;而氢能既能远距离传输、又能方便存储，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪。多年来人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式，因而引导出燃料电池发电技术。燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。燃料电池凭借着它独特的优势应用在各个领域，加速了社社会的发展，推进了社会的文明。本文简述了燃料电池技术，各类燃料电池的原理以及它们各自的特点，并介绍目前燃料电池在国内外的应用现状，同时指出目前影响燃料电池商品化的主要因素。 关键词:新能源;燃料电池;高效率;环境保护。 I Abstract Energy is the basis of the economy. Human beings in order to make more effective use of energy, has been making unremitting efforts. The history of the use of energy, there have been several revolutionary changes each time changes are greatly promoted the development of our society. Secondary energy in the steam due to short transmission distance, it is difficult to store and the application is limited; electricity transmission faster, the transmission distance, but there is energy loss in the transmission process, difficult to store shortcomings; hydrogen both long-distance transmission. can facilitate the storage, and thus become the ideal energy of the twenty-first century, the twenty-first century is also known as a hydrogen century. Over the years people have been trying to find the energy efficiency of higher energy without polluting the environment, and thus lead to a fuel cell power generation technology. The fuel cell is not directly by the combustion process the fuel chemical energy converted into electrical energy, with the unique advantages of high energy conversion efficiency of the discharge of pollutants. The fuel cell by virtue of its unique advantages of application in various fields to accelerate the social development of society, and promote the social civilization. In this paper, the fuel cell technology, the principle of various types of fuel cells and their respective characteristics, and describes the application of fuel cells at home and abroad, noting that the main factors affecting the commercialization of fuel cell. Keywords: new energy; fuel cell; high efficiency; environmental protection. II 目录 摘要 .......................................................................................................... I Abstract .................................................................................................... II 引言 ..........................................................................................................1 1 介绍.....................................................................................................2 2 燃料电池技术......................................................................................3 3. 燃料电池的分类 ..................................................................................4 3.1碱性燃料电池(AFC) ................................................................4 3.2磷酸燃料电池(PAFC) ................................................................5 3.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) ......................................................6 3.4固体氧化物燃料电池(SOFC) .........................................................7 3.5质子交换膜燃料电池(PENFC) .......................................................8 4. 燃料电池的应用现状以及存在的问题 .............................................. 11 4.1 燃料电池的应用现状 ............................................................... 11 4.2 燃料电池应用存在的问题 .........................................................13 5.国内外燃料电池发展现状 ...................................................................14 5.1国际燃料电池技术的发展状况 ...................................................14 5.2 中国燃料电池技术的发展状况 ...................................................14 6.结语 ....................................................................................................16 参考文献.................................................................................................17 致谢 ........................................................................................................18 III 中原工学院毕业论文 引言 21世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会。预计到 2017 年，30%以上的电力将由燃料电池供给。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效率利用能源而又不污染环境的新技术。燃料电池有多种类型，按使用的电解液不同分类，主要有磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)及碱性燃料电池(AFC)。90年代初，很有竞争力的燃料电池—质子交换膜燃料电池，在实用化方面取得了突破性进展，并成为当今国际上燃料电池开发的热点。PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，Pt为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂。PEMFC具有室温启动，无腐蚀与电解液流失，低噪音，寿命长和输出比功率高等独特优点，不仅是电动汽车的理想电源，而且可以应用于航天军事等特殊领域，并且随着PEMFC生产成本的降低和电池系统技术的优化，在燃料电池电站、电动汽车、高效便携式电源等方面都具有很大的市场潜力。进入90年代后，PEMFC技术迅猛发展,德国 Daimler-Benz汽车公司开发的电动汽车，使用Ballard公司研制的PEMFC电池堆作为动力电源，1994 年制成了Necar1车，动力50kW;1996 年制成Necar2车，动力50kW，最高时速110km，最大行程400kW，1997年又制成了Nebus型公共汽车，动力250kW，使用压缩氢气为燃料。1997年8月，Ballard公司又研制出250kW的电站，以天然气为燃料。美国时代周刊1995年将燃料电池汽车列为21世纪十大高新技术之首。加拿大政府已经决定将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展。日本、德国等发达国家也纷纷投巨资发展燃料电池技术。在我国，中科院曾将燃料电池技术列为“九五”院级重大和特别支持项目，国家科技部也将燃料电池技术列入“九五”攻关项目，在“十五”期间，国家对燃料电池的研究更加重视，研究重点集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池上。本文阐述了燃料电池技术，燃料电池工作原理，燃料电池的分类，以及燃料电池在各个方面的应用等。 1 中原工学院毕业论文 1 介绍 能源是国民经济发展的重要基础。至今，煤炭、石油、天然气等化石燃料一直是全世界的主要能源。但根据已探明的储藏量和目前消耗水平，石油、天然气只够使用30,50年，煤可用100,200年。化石燃料的使用带来的另一个重要问题是排放大量的一氧化碳、一氧化氮、碳氢化合物及硫化物危及身心健康。由于燃料电池发电的原理是电解水,为氢和氧的逆反应，故生成物为水，对环境和生态均无污染;且能源利用效率为常规发电方式的1.5倍，节能效果显著。故燃料电池被认为是21世纪的能源之星。燃料电池所用的氢来源于甲醇汽油、天然气和化工、氧气工业的副产品，还可从食品废弃物、粪便、秸秆和下水污泥等可再生有机废物发酵产生的沼气中提取。日、美等国已开发成功高效电解水提氢技术，人们还预测在光电大幅降价后利用光电电解水的方式提氢。所以它的原料来源广泛，在军事和民用上显示着广泛的应用前景，对其深入研究和开发也倍受世界各发达国家的高度重视。但自1839年第一个燃料电池问世以来，因许多技术上的困难，其发展和商业化一直受到限制。直到20世纪60年代，由于在太空中的成功应用，燃料电池技术才得到了快速的发展。特别是近几年来，随着人类对环境保护的日益关注，燃料电池在发电和汽车领域的应用已取得了重大的进展。 2 中原工学院毕业论文 2 燃料电池技术 燃料电池的基本原理在1838年被瑞士科学家C.F.Schonbein发现。William Grove先生于1839年研制出第一台燃料电池基于一次水的电解事故。剑桥大学的弗朗西斯?培根在1950年展示了第一个5千瓦的碱性燃料电池。碱性燃料电池的研制成功后，NASA需要一个紧凑的系统来产生电力为航天飞机应用。20世纪70年代，在没有使用任何备用电流的情况下，如电池，国际燃料电池开发一个12千瓦的碱性燃料电池，为美国宇航局的航天飞机轨道器提供可靠的电力。在60年代中期开始，研究工作的重点集中在发展不同只有稳定源和运输的各种燃料电池的进一步应用。另外，美国，加拿大和日本的政府机构已显著增加他们的资金，用于燃料电池研发。但在许多国家，由于其较高的安装成本，这个问题被放到50年后再考虑。经过电源转换装置的发展后，为减少其较高安装成本，更多的研究都向燃料电池方向发展。 3 中原工学院毕业论文 3. 燃料电池的分类 燃料电池以电解质的类型来分类，可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类，表1是各种燃料电池的对比，下面分类介绍。 表1 各种燃料电池的对比 3.1碱性燃料电池(AFC) 碱性燃料电池是以氢氧化钾或氢氧化钠等强碱性的水溶液为电解质，氢为燃料，纯氧或者脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂的燃料电池。碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 碱性燃料电池的原理:氢氧燃料电池有两个燃料入口，氢及氧各由一个入口进入电池，中间则有一组多孔性石墨电极，电解质则位于碳阴极及碳阳极中央。氢气经由多孔性碳阳极进入电极中央的氢氧化钾电解质，在接触后进行氧化，产生水 --和电子。H + 2OH ? 2HO + 2e，电子经由外电路提供电力并流回阴极，并在阴极22 --与氧及水接触后反应形成氢氧根离子:O + 2HO +4e ? 4OH，最后水蒸汽及热能22 由出口离开，氢氧根离子经由氢氧化钾电解质流回阳极，完成整个电路。碱性燃料电池的化学反应式为: --阳极反应:H+2OH ?2HO+2e 22 -- 阴极反应:1/2O+HO+2e ?2OH 22 4 中原工学院毕业论文 总反应: 1/2O+H ? HO 222 优点:因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性介质高，所以碱性燃料电池的发电效率高;由于碱性燃料电池用的是碱性介质，故可以用非铂催化剂;因工作温度低、用的是碱性介质，所以可以采用镍板做双极板。 它的缺点是:因为电解质为碱性，易与CO生成KCO、NaCO沉淀，严重影22323响电池性能，所以必须除去CO，这给其在常规环境中应用带来很大的困难。 2 3.2磷酸燃料电池(PAFC) 磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)是以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150,220摄氏度工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点，是一种接近商品化的民用燃料电池。 图1 磷酸燃料电池的基本结构 磷酸燃料电池的基本结构见图1。磷酸燃料电池的反应原理是:燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H、CO和水蒸气的混合物，CO和2 水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H和CO。经过如此处理后的燃料气体进22 5 中原工学院毕业论文 入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。反应方程如下: -+ 阳极反应:H+2e ?2H 2 +- 阴极反应:1/2O+2H ? HO+2e 22 总反应:1/2O +H ? HO 222 磷酸燃料电池在较高的工作温度对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池照样可以工作。磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。还拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池在将来不会用于私人车辆。在过去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料电池能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为0.2–20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院，学校和小型电站提供动力。 它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展2 最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。 3.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，首字母缩写为MCFC)，通常被称为第二代燃料电池，因为预期它将继磷酸盐燃料电池之后进入商业化阶段。 熔融碳酸盐燃料电池的原理是:熔融碳酸盐燃料电池采用碱金属(如Li、Na、K)的碳酸盐作为电解质，电池工作温度为873-973K。在此工作温度，电解质呈熔融 2-状态，载流子为碳酸根离子(CO)。典型的电解质由摩尔分数62% LiCO+38% 323KCO(熔点763K)组成。MCFC的燃料气为H，氧化剂是O和CO。当电池工作23 222 2-时，阳极上的H与从阴极区迁移过来的CO反应，生成CO和HO，同时将电子2322输送到外电路;而阴极上的O和CO与从外电路输送过来的电子结合，生成碳酸根22 2-离子CO，反应方程式如下: 3 - 2-阳极:2H+2CO=2CO+2HO+4e2322 6 中原工学院毕业论文 -2- 阴极:O+2CO+4e=2CO223 总反应:2H+O+CO=2HO+CO 222 22 熔融碳酸盐燃料电池的优点如下: (1)上作温度高，电极反应活化能小，无论氢的氧化或是氧的还原，都不需贵金属作催化剂，降低了成本; (2)可以使用含量高的燃料气，如煤制气; (3)电池排放的余热温度高达673K之多，可用于底循环或回收利用，使总的热效率达到80%; (4)可以不需用水冷却，而用空气冷却代替，尤其适用于缺水的边远地区。 缺点如下: (1)高温以及电解质的强腐蚀性对电池各种材料的长期耐腐蚀性能有十分严格的要求，电池的寿命也因此受到一定的限制; (2)单电池边缘的高温湿密封难度大，尤其在阳极区，这里遭受到严重的腐蚀，另外，熔融碳酸盐的一些固有问题，如由于冷却导致的破裂问题等; (3)电池系统中需要有循环，将阳极析出的重新输送到阴极，增加了系统结构的复杂性。 3.4固体氧化物燃料电池(SOFC) 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。 固体氧化物燃料电池的原理:固体氧化物燃料电池的电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化学位梯度，在该化学位梯度的作用下，在阴极获得电子的氧离子经固体电解质向阳极运动，在阳极释放出电子，从而在两极形成电压。 -2- 阴极反应(以H为例):O+4e=2O 22 7 中原工学院毕业论文 2--阳极反应:2O+2H?2 HO +4e 22 总反应:2 H+ O= 2 HO 2 2 2 从原理上讲，固体氧化物燃料电池是最理想的燃料电池之一，因为它不仅具有其他燃料电池的高效与环境友好等特点，还具备如下优点: (1)运行温度高(一般为800,1000?)，阴、阳极的化学反应速率大，并接近于热力学平衡，电极处的极化阻抗小，可以通过大的电流密度，不需要贵重的催化剂; (2)由于固体氧化物电解质的透气性很低，电子电导率低，开路时电压可以达到理论值的96,; (3)由于SOFC运行温度高，便于利用高温废气，可实现热电联产，燃料利用率高; (4)全固体结构，避免了液态电解质对材料的腐蚀，解决了电解液的控制问题; (5)氧化物电解质很稳定，抗毒性好。电极有相对较强的抗污染能力; (6)可使用多种燃料，包括直接使用碳氢化合物; (7)不要求外围设备条件，诸如不需要湿度控制、空气调节等。 由于固体燃料电池的高能量转换效率及其与其它燃料电池相比所具有的上述优越性，因此固体氧化物燃料电池被认为是二十一世纪最有前景的能源技术，多年来一直是各国研究的重点。20 世纪 90 年代以后，在材料科学与工艺技术进步的基础上，更是对 SOFC 所需的材料进行了深入的研究，目前各国下大力投入，开展这方面的研究工作，并可望早日实现商品化。 3.5质子交换膜燃料电池(PENFC) 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池后发展起来的第五代燃料电池。 8 中原工学院毕业论文 图2 质子交换膜燃料电池的基本结构 图2是质子交换膜燃料电池的基本结构。在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为: 阳极:2H2? 4H+ + 4e- ? 2 H2O 阴极:O2 + 4H+ + 4e- 整体:2H2 + O2? 2 H2O + 能量 由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5,1V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。 优点如下: (1)其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高;发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源; 9 中原工学院毕业论文 (2)质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等; (3)被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。 在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。 缺点: (1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高; (2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70,90?，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题。 10 中原工学院毕业论文 4. 燃料电池的应用现状以及存在的问题 4.1 燃料电池的应用现状 各类燃料电池自开发出来已被应用到各个领域，在航天、交通以及家庭等领域都有不同程度的应用。下面是目前燃料电池的应用现状。 航天与军事方面:美国燃料电池的研究于上个世纪50年代末逐步展开，最初是美国航天局将燃料电池用在航天飞机上。美国航天局的阿波罗登月飞船、航天飞机和空间轨道站的动力电源均为AFC，这些电池的运行寿命均已达数千小时。2002年3月，德国的HDW公司开发了命名为U号的世界上第一艘现代非核潜艇，它是用燃料电池作为推进系统的动力。这种燃料电池是以氢气和氧气为燃料发电，这样允许新式潜艇在水下巡游数周不必升出水面，而常规柴电潜艇通常在水下巡游两天就会用尽电能。AFC系统还被用于潜水探察艇、深海潜水救助艇，在国内，中国科学 ) 航天用、静态排水石棉膜院大连化学物理研究所研制成功了两种型号(A型和 B型 型H-O碱性燃料电池。A型用液氢、液氧作燃料和氧化剂，带有水的回收和净化子系统;B型以NH在线分解产生的N-H混合气作燃料和液氧作氧化剂。这两种型号的碱性燃料电池均通过航天环境模拟实验。 便携式应用方面:便携式电源系统对野外考察活动、战地通讯等均有特别重要的意义。现今的便携式电源系统大多是锂离子电池、镍氢电池等充电电池或一次性化学电池，对于野外活动或在其他较特殊的环境，这些化学电池都存在一些不可克服的弱点:(1)输出功率有限，重量比功率和体积比功率的密度都低;(2)储能有限以及连续放电工作时间有限;(3)难以及时得到充电设施或需要很长的充电时间。便携式质子交换膜燃料电池电源系统可以克服上述缺憾并具有以下优点:(1)输出功率可根据实际应用需要进行设计制造，从几瓦到几千瓦均可实现，比功率密度高，体积、重量可满足便携式需求;(2)整个电源系统的储能与连续发电、工作时间取决于携带的燃料多少，以携带840g的氢化钙为例，燃料电池能够以200W的功率连续输出长达5h;(3)无需充电，重新储能发电采取机械式的补充燃料;(4)电源系统安全、可靠。 交通方面:燃料电池是迄今为止最有希望解决汽车能源问题的动力源。几乎所有著名汽车公司都投入大量人力物力进行FCEV及其相关技术的研究开发。Jeep Commander2是以 Jeep Commander为基础设计的混合动力电动汽车，它装备有 11 中原工学院毕业论文 50kW的甲醇重整质子交换膜燃料电池发动机和90kW的镍氢电池组两个动力源。 Ford公司的第一辆接氢燃料电池汽车P2000在没有减小乘客空间的情况下基本达到了内燃机汽车的一般性能，证明燃料电池汽车可以和内燃机汽车一样满足汽车用户的需求。Mazda公司在2001年2月推出Premacy FC采用甲醇重整的燃料电池系统。Premacy是被日本交通部允许在横滨市区进行路试的第一辆燃料电池汽车。还有PSA Peugeot Citroen(标志雪铁龙)等公司在欧盟的帮助下，于1996年起启动了Hydro-Gen计划，研究汽车的替代能源问题，Hydro-Gen FCEV正是该计划的成果。Hydro-Gen 燃料电池汽车采用混合动力的结构，包括燃料电池和辅助电池。我国在国家“十五”863计划中，已经特别设立电动汽车重大专项，将新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向。其中，整车开发包括燃料电池轿车、燃料电池客车、混合 动力轿车、混合动力客车以及纯电动轿车整车的开发。由大连化物所开发研制的6台5kW电池组构成的中巴电动汽车的动力系统与中科院电工所研制的电推进系统 一起由东风汽车集团安装在19座中巴车上，已成功进行了行车试验。我国即将进行对于燃料电池汽车的大规模研究。 建筑方面:燃料电池在建筑方面的应用，除提供电能外，还可同时提供冷热源，因此称为建筑冷热电联产系统。也就是说，建筑所需的电由位于建筑物现场或附近的燃料电池发电装置提供，发电装置所产生的废热则由余热锅炉、吸收式制冷机、转轮除湿装置等回收利用，转换成为蒸汽、热水、冷水等，为建筑供冷、供热，并控制湿度。对于燃料电池在建筑上的应用，美国、日本、加拿大、德国等国处于领先地位。美国已有数万台燃料电池发电站用于宾馆、医院及居民小区进行热电联供。日本运行中的PAFC电站约100座，总容量30MW以上，19年投入运行的五井电厂的11MW级PAFC发电装置是目前世界上容量最大的燃料电池发电站。德国采用加拿大Ballard公司技术，已建成1座250KW的PEM热电联供电站。位于荷兰阿纳姆市的100KW级SO热电联供装置，于1997年12月开始运行，为电网提供109KW的电力，为该地区供热系统提供63KW的热力，到2000年11月为止，该系统已经运行超过1.6万h，发电效率46%，热电综合效率约为80%。美国在GRI-DOE计划中建造了48台40 KW级热电联产型现场式PAFC发电装置，其中2台分别是由日本东京煤气公司与大阪煤气公司进行试验，其余分散在美国各地。国内对于燃料电池 12 中原工学院毕业论文 在建筑上应用的研究相对较少。 4.2 燃料电池应用存在的问题 燃料电池在应用中的存在问题:在不同的应用领域，燃料电池的应用都存在着不同的问题。总的来说，阻碍燃料电池商品化和广泛应用的主要原因如下: 价格方面:降低造价是燃料电池发展的最大关键,亦是决定能否商业化的综合指标。燃料电池的价格比较昂贵，目前最先进的燃料电池系统的价格相当于太阳能发电系统的 维护问题方面:燃料电池的维护与其他的发电装置有很大的不同，目前这方面的专业维护人员可以说非常少。燃料电池发生故障之后，往往需要运回生产基地进行维修，目前还无法做到现场更换电池堆。 燃料问题:燃料电池对燃料非常挑剔，例如碱性燃料电池原则上需要纯氧和纯氢作为燃料，因此往往需要非常高效的过滤器，并且要经常更换。 技术尚未成熟:燃料电池进入商业化的时间还很短，可以说还是一种尚未成熟的技术。譬如MCFC由于电解质的流失以及腐蚀问题,使其寿命很难突破4万小时。如果燃料电池价格能够有所降低，并且经过一段时间使其趋于成熟，它将以其高效、清洁、安静等综合优势成为各种分散式发电技术中最优的技术之一。当然在不同的应用领域还存在影响其推广的特定原因，例如在建筑上应用的建筑冷热电联产技术的一个非常关键的问题就是和城市电网和热网的连接问题，有些大型的冷热电联产项目都是因为无法向城市电网返回电力而无法真正发挥效益。而在交通的应用上，其中的难题就是如何保证在不同的能量需求条件下，提供合适的氢气量。氢气供应量过多或过少都影响车辆的功率输出和热负荷。 13 中原工学院毕业论文 5.国内外燃料电池发展现状 5.1国际燃料电池技术的发展状况 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，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发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。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，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，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、易维护以及低成本的潜能将引爆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。 5.2 中国燃料电池技术的发展状况 中国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究。中国在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。中国政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出百瓦级-30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组，开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。 在当今全球能源紧张、油价高涨的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显，清洁、高效，因此得到各国政府的大力支持，加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。 14 中原工学院毕业论文 尽管现在燃料电池的市场需求相当小，预计在随后的十年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。现在对于便携式燃料电池的需求相当少，但便携式燃料电池市场将是从现在到2015年甚至更长时间增长最快的市场。应用于消费电子产品的燃料电池系统在最近几年中就会商业化。 15 中原工学院毕业论文 6.结语 本文介绍了燃料电池技术，燃料电池的分类，以及各种燃料电池的原理和优缺 注，很多点，同时还有它们的应用。燃料电池的研究在目前已经引起各国的广泛关国家都投入大量的人力物力进行燃料电池的研发工作，我国对于燃料电池的研究、应用相对一些发达国家来说仍然比较落后。同时由于存在着上述的一些影响因素，燃料电池的商业化程度目前并不很高，但作为继火力、水力和核能发电之后的第四种连续发电方式，燃料电池具有高效、清洁、低噪声等特点，而且适用的领域比较广泛。我们相信正如美国能源部长佩耶1998年接受《纽约时报》的采访时的预测，燃料电池进入家庭、汽车和其它领域的步伐将比人们想象的要快得多，燃料电池有着光明的发展前景。 16 中原工学院毕业论文 参考文献 [1] 沈培康 .加快燃料电池产业化进程的建议. 电池, 2002, 32(3). [2] 骆仲泱,张小丹,等.高温燃料电池技术分析及前景展望. 热力发电.2003(1). [3] ,.哈特科普夫.固体氧化物燃料电池在建筑冷热电联产中的应用.暖通空调.2003,33(1). [4] 孟广耀.开发陶瓷膜燃料电池(CMFC)大有可为.电池.2002,32(3). [5] 范钦柏.,,，燃料电池的发展进程.电池.2002,32(3) [6] 胡里清等.便携式200W至500,质子交换膜燃料电池电源系统研制.电化学.2002,8(2). [7] 陈军,袁华堂.日本燃料电池的发展状况.电源技术.2002,26(2). [8] 衣宝廉.燃料电池——原理?技术?应用[M].北京:化学工业出版社，2003:18-23 [9] 许世森，朱宝田.探讨我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线[J].中国电力，2001， 24(7):9-12 [10] 李瑛，王林山.燃料电池[M].北京:冶金工业出版社，2000 [11] Mercuri. Flexible graphite composite for use in the form of a fuel cell flow field plate [P].US: 6037074, 2000 [12] DAVIS PEM Fuel Cell Water And Thermal Management: A Methodology to Understand Water and Thermal Management in an Automotive Fuel Cell System [J]. Berkeley: Univ. of California, 2001. [13] 衣宝廉.燃料电池—高效、环境友好的发电方式[M]，北京:化学工业出版社，2000 [14] Young-Gab Chun,Chang-Soo Kim,Performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell with thin film catalyst electrodes[J],Journal of Power Source, 71:174-178(1998) [15]李国欣，新型化学电源导论[M]，复旦大学出版社，1992 16] Tatiana J.P. Freire, Ernesto R. Gonzalez，Effect of membrane characteristics and humidification [ conditions on the impedance response of polymer electrolyte fuel cells[J]，Journal of Electroanalytical Chemistry 503:57-68 (2001) [17] D. Singh, D.M. Lu, N. Djilali，A two-dimensional analysis of mass transport in proton exchange membrane fuel cells[J]，International Journal of Engineering Science 37:431-452 (1999) [18] Ark D H，Zeikus J G(Electaicity generation in microbial fuel cells using neutral red as an electronophore [J](Applied and Environmental Microbiology，2000，66(4):1292-1297( [19] Kreysa G，Schenck K，Vuorilehto K，et a1(Bioelectrochemical hydrogen production [J](International Journal of Hydrogen Energy，1994，19(8):673—676( [20] 康峰 ，伍艳辉(生物燃料电池研究进展[J](电源技术，2004，28 (11):723-727( [21] Logan B E，Hamelers B，Rozendal R，et a1(Microbial fuel cells:methodology and technology [J](Environment Science Technology，2006，40，5181—5191( [22] 卢娜 ，周顺桂 ，倪晋仁(微生物燃料电池的产电机制[J](化学 进展，2008，20(7,8): 1233—1240( [23] Gil G C，Chang I S，Kim B H，et a1(Operational parameters affecting the performance of a mediator—less microbial fuel cell[J](Biosensors and Bioelectronics。2003，18:327—334( [24] Sahoo N G，Jung Y C，So H H，et a1(Polypyrrole coated carbon nanotubes:synthesis， characterization，and enhanced electrical properties[J](Synth Metals，2007，157:374—379( 17 中原工学院毕业论文 致谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了很多困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要特别感谢我的论文指导老师—刘生满老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢～ 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正～ 内部资料 仅供参考 内部资料 仅供参考 18 中原工学院毕业论文 D1D2D3D4D5D6D7D8LEDLEDLEDLEDLEDLEDLEDLEDP11VCCR11R12R13R14R15R16R17R182GND1K1K1K1K1K1K1K1K VCCU1AU1BU1CU1DU2AU2BU2CU2D1781178144LM324LM324LM324LM324LM324LM324LM324VCCLM32441111411411411411411411411J2J1GNDR192365923659R10111111J40320321KR1R2R3R4R5R6R7R8R9111KJ31K1K1K1K1K1K1K100K GND U3LM7805VCCD4D313Vin+5VP11D40074007C4C6NC5C7GD6D51041042470U100u240074007DS1DS2DS3DS4a7a7a7a7aaaab6b6b6b6GNDbbbbaaaac4c4c4c4ccccDSCOM1d2d2d2d2fbfbfbfbddddgggge1e1e1e1eeeeQ1f9f9f9f9ececececffffdddd9012g10g10g10g10ggggdpdpdpdp5555dpdpdpdpDSCOM2GNDGNDGNDGNDQ2VCCDSCOM1DSCOM2DSCOM3DSCOM4383838389012DSCOM3BT1BL23VR2Q309012VCC15D2BLYVCC4007DSCOM4D1C1414810UQ4R3R4BL1abcdefg21439012100100R6R7R8R9R10R11R12R136036036036036036036010KCOM1COM2COMU1GNDLSBL2120RESVCC219RXDP1.7318GNDTXDP1.6321054C24171111911X2P1.5BL130P516U2X1P1.4XTAL16154511COM2COMCOM1FBCEADGINT0P1.3Q512MK1C3714123INT1P1.2901230P813T0P1.1912T1P1.0TIE1011ABCDLBLGNDP3.7P3K289C2051GND7126345R1310KVCCGNDR5510GNDVCCLED2LED1 19