燃料电池论文3000字

第1章 燃料电池简介1 燃料电池简史1 燃料电池启蒙阶段2 燃料电池现代发展阶段2 燃料电池基本原理3 燃料电池系统1 燃料处理系统2 排热回收系统4 燃料电池特性1 良好的环境相容性2 良好的操作性能3 灵活可靠的输出性能4 灵活的结构特性5 燃料电池存在的问题5 燃料电池分类1 碱性燃料电池2 质子交换膜燃料电池3 直接甲醇燃料电池4 磷酸燃料电池5 熔融碳酸盐燃料电池6 固体氧化物燃料电池6 其他类型燃料电池1 再生型燃料电池2 锌空燃料电池3 生物燃料电池参考文献第2章 燃料电池基础理论与研究方法1 燃料电池中的化学热力学1 化学热力学基础2 气体压力、浓度和温度对电极电势的影响3 燃料电池的效率2 燃料电池中的电极反应动力学[2～5]1 燃料电池的不可逆性——电压降2 Butler-Volmer方程3 活化损失4 传质损失5 欧姆损失6 燃料电池的渗透及内电流3 电催化理论简介1 析氢反应和氢氧化反应机理2 氧的还原反应3 甲醇电催化氧化原理4 燃料电池的传质5 燃料电池表征方法1 催化剂相关表征方法2 燃料电池测试系统3 燃料电池各种损失的表征方法参考文献第3章 燃料电池的燃料与氧化剂供应1 化石燃料1 石油2 低硫轻质石油及液化石油气3 天然气4 煤和煤气2 生物燃料3 氢1 氢的制取2 氢燃料的纯化3 氢的贮存4 氢的运输和加注5 氢的安全性4 燃料电池氧化剂的供应1 压缩机类型2 压缩机供气量和压缩机的选择参考文献第4章 碱性燃料电池1 引言2 工作原理3 电催化剂与电极1 电催化剂2 电极结构与制备工艺4 电解质5 AFC性能的影响因素和存在的问题1 操作压力2 操作温度3 电解质浓度4 CO2的毒化问题5 排水方法参考文献第5章 质子交换膜燃料电池1 引言2 PEMFC的特征1 能量转换效率2 温度特性3 压力特性4 CO的影响5 寿命6 电池及电堆性能特征描述3 质子交换膜1 概述2 全氟磺酸膜3 非全氟磺酸膜4 耐热型质子交换膜5 质子交换膜发展方向4 电催化剂1 电催化剂的技术指标与选择原则2 阳极催化剂及其发展趋势3 阴极催化剂4 电催化剂的制备方法5 电极1 气体扩散层2 催化层3 膜电极“三合一”组件的制备6 双极板及流场设计1 双极板的功能和特点2 双极板种类及其特征3 流场形式及特征4 双极板及流场设计发展展望7 PEMFC系统1 单电池与电堆2 PEMFC加湿单元3 PEMFC供气单元4 PEMFC电源系统集成与运行管理8 PEMFC的应用1 小型定置发电系统2 运输工具3 便携式电源9 可再生燃料电池（RFC）参考文献第6章 直接甲醇燃料电池1 引言2 DMFC的工作原理1 DMFC电极反应2 甲醇电催化氧化原理及影响因素3 DMFC阴阳极催化剂及质子交换膜1 DMFC阴极催化剂2 DMFC阳极催化剂3 DMFC质子交换膜4 DMFC及其性能影响因素分析1 DMFC的组成与结构2 DMFC工作条件和进料方式3 DMFC的功率范围及限制因素5 DMFC系统的应用发展参考文献第7章 磷酸燃料电池1 引言2 PAFC工作原理与特性1 工作原理2 PAFC特性3 PAFC组成材料1 电解质与载体2 催化剂3 双极板4 PAFC结构1 电极结构及制备工艺2 单电池与电池堆5 影响PAFC性能的因素1 压力2 温度3 燃料组成及利用率4 氧化剂组成及利用率6 技术开发重点参考文献第8章 熔融碳酸盐燃料电池1 MCFC工作原理2 熔融碳酸盐燃料电池材料1 阳极材料2 阴极材料3 基体材料3 影响熔融碳酸盐燃料电池性能的因素1 压力的影响2 温度的影响3 反应气体组分和利用率的影响4 熔融碳酸盐燃料电池的应用与发展参考文献第9章 固体氧化物燃料电池1 历史2 SOFC的工作原理3 SOFC技术和应用4 SOFC材料1 固体电解质材料2 阳极材料3 阴极材料4 连接材料5 SOFC的制备工艺1 物理法2 化学法3 陶瓷成型法6 SOFC的电堆结构1 管状设计2 平板式设计3 合并的平板式SOFC和平管高功率密度设计7 燃料和燃料的处理1 内部重整2 碳氢燃料的直接氧化参考文献第10章 燃料电池的电能输出1 引言2 线性电源电路3 开关电源主要元、器件1 高频二极管2 功率场效应管（MOSFET）3 磁路与磁性材料4 电感5 变压器4 Buck开关调整器5 Boost开关调整器1 Boost开关调整器的工作原理2 燃料电池辅助电源用锂电池选择实例6 Cuk开关调整器7 Sepic开关调整器1 Sepic开关调整器的工作原理2 10 W燃料电池电压变换实例8 单端正激变换器9 推挽型变换器10 全桥变换器11 开关电源的控制原理12 800 W燃料电池DC/DC变换器实例参考文献结束语

燃料电池，是将化学能转化成电能的装置。最常当做例子的，是氢氧燃料电池。氢气提供电子给氧气，氧气被还原做水，电子通过外电路发电。具体装置，原理，请翻阅电化学有关书籍。

作者: Raymond George Klaus Hassmann【摘要】燃料电池具有非同寻常的性能： 电效率可达60％以上，而且可以在带着部分负荷运行的情况下进行维修，除了有低比率碳氧化物排放外几乎没有任何有害的排放物。文章介绍按温度划分的4种主要燃料电池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重点介绍高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的应用及其发展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market． 燃料电池是通过由电解液分隔开的2个电极中间的燃料(如天然气、甲醇或纯净氢气)的化学反应直接产生出电能。与汽轮发电机生产的电能相比，燃料电池具有非同寻常的特性：它的电效率可达60％以上，可以在带部分负荷运行的情况下进行维修，而且除了排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物。1 燃料电池的分类 目前研制的燃料电池技术在运行温度上有不同的类型，从比室温略高直到高达1000℃的范围。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)。 可以将这些类型的燃料电池划分为低温型(100℃及以下)、中温型(约200℃左右)及高温型(600-l000℃)燃料电池。 表1简要地列出了各种类型燃料电池的性能。中温型和高温型燃料电池适于用在静止式装置上，而低温型燃料电池对于静止装置和移动式装置都适用。 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。 根据使用期限成本进行的经济性比较结果表明，就发电成本而言，SOFC型燃料电池要PEM型低30％。这个结果是根据SOFC型燃料电池的电效率比PEM型的高，这2种燃料电池最终都可以达到l000美元／KW的投资成本这一假设条件而推导出来的。 2 高温燃科电池 高温型燃料电池具有许多适于在静止式装置上使用的特性。但是在高温型燃料电池产生出电能之前需要较长的加热过程，因而这种技术不能应用于要求在短时间内频繁起动的各种实用装置。此外，高温型燃料电池还具有以下特点： (1)不需要使用贵金属来催化电化学反应。一般情况下使用陶瓷材料。 (2)对CO完全没有限制。CO参加到电化学反应过程并像H2一样被氧化。 (3)对燃料表现出高度灵活性。可以给这类燃料电池发电设备供应天然气，天然气在设备内部被转换成H2和CO。这意味着无需任何外部燃料，从而大大简化了发电设备的平衡问题。 (4)高温可以将燃气轮机连接到该系统上，在这种情况下，燃料电池发电设备是在300kPa压力下运行，并在不考虑燃气轮机输出的情况下将燃料电池的功率密度提高约20％，因此使总的电效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。 (5)较高的运行温度也为排热提供了更多的灵活性。在电效率达60％或更高水平的联合循环系统中可限制废热排放，而在单循环下则会排放出更多的热量。 MCFC和SOFC是这类高温型燃料电池的2种技术。它们使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液态的金属碳酸盐作为电解液，如果没有采取防止电极老化的措施，燃料电他的使用寿命会受到影响。 在MCFC中电化学反应是由CO3离子引发的。MCFC采用的是颊型电池，和SOFC型的管形设计方案相比，这种颊型电他的功率密度要稍微高一些。这在成本上要比SOFC型装置优越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常稳定，可以用在950-1000℃范围内，所以SOFC装置在抗老化性能上更具优越性。到目前为止，所有的长期电池试验和正在运行的试验性机组都表明SOFC型装置的使用寿命可以达到70 000-80 000h，是MCFC型的2倍。 MCFC和SOFC 2种技术在进行100-250kW功率范围的单循环现场试验中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC开发上占有主导地位的是美国的Fuel Cell Energy公司及其在德国的授权单位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC开发上处于领先水平。3 中温型燃料电池 目前磷酸类燃料电池(PAFC)是具有最先进技术的燃料电池。80年代，IFC(国际燃料电池公司)决定对其前期商业化生产线进行投资，制造和销售200kW的PAFC装置，并将其投入市场。东芝公司在80年代末就已经努力使PAFC技术进入商用市场。从此，PAFC技术就一直在静止燃料电池的市场中占据着显赫的位置。迄今为止，全球已经安装了150多套PAFC燃料电池装置。 研究表明，这种燃料电池未能实现市场商业化的原因大致有以下几方面： (1)电效率最高为40％，超过维修期限后会降到35％甚至更低水平。通常情况下设备的使用期限不超过20 000运行h。 (2)有些试验性的设备(如东芝公司管理的1套11MW设备未能达到顶期的性能水平。 (3)美国和日本政府大幅度削缩用于PAFC技术研究和开发的投资。 (4)从迄今积累的经验及在改善设计参数和降低产品成本方面的潜力来看，让PAFC技术成功地跻身于当今的市场中的可能性是极低的。4 SOFC在配电市场方面的潜力 Siemens Westinghouse公司根据对市场的分析，决定采取必要的措施加快SOFC技术进入市场的步伐。预计在2003-2004年提供第l批产品，进入商业性生产前的试验阶段，装置容量从目前的2MW扩大到15MW。 北美和欧洲被认为是SOFC燃料电池技术最有希望的市场。Hagler Bailly公司和西门子公司对功率范围为250 kW-l MW的市场进行了调查，结果表明到2005年SOFC燃料电池的市场容量为每年10000MW。北美和欧洲几乎各占50％。考虑到北美洲用户的结构和他们的需求，在北美洲各类小型发电机组的总容量在2010年可能达到每年约1000MW，其中600MW可能是燃料电池发电装置。在各种类型的燃料电池中，SOFC的市场份额约占40％，到2010年在北美洲SOFC的全年销售额将达到4亿美元。 在竞争日益激烈的配电市场中的另一个获胜者是微型燃气轮机，主要是作为备用电源或辅助电源。由于SOFC和微型燃气轮机的特性适于不同的应用场所，SOFC效率高但投资成本也高，而微型燃气轮机成本低但效率也低，因而这2种技术不会产生市场上竞争。而往复式发动机会逐渐失去其在市场中的份额。 欧洲电网要比北美洲电网强大得多，欧洲电网强化了集中的大型发电厂的作用。因此在北美洲经常出现的分散式电热设备和动力装置的供电质量和供电可靠性问题在欧洲是不突出的。但另一方面，在欧洲对能量储存更为敏感。 此外，一些国家政府将颁布新的规程和法律及新的能源价格，预计欧洲各国之间市场份额会有重大差异。在有些情况下这个过程会给SOFC用于配电装置起到一定的促进作用。此外，欧洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市场预测结果会有很大程度的不确定性。5 SOFC技术应用的扩展 使用天然气作为燃料的SOFC是车载式装置，其扩展应用可有以下几种形式：(1)家庭应用：新一代燃料电池将是扁平管型的，其功率密度是目前所用圆柱型燃料电池技术的2倍，因而将制造出5kW的燃料电池装置。这种设计方案是可行的，在配电市场中可以替代圆柱型燃料电池。(2)l0MW以上的系统装置：很显然，只要SOFC技术占有了功率范围在250-10MW的市场，那么下一步最必然的是要争取占有l0MW以上更大规模发电设备的市场。通过把更多SOFC链接起来便能实现这个目标，也满足了高效率低成本的要求。20MW级规模燃料电池的电效率已经接近甚至超过70％。(3)用液态燃料运行：使用天然气作为燃料将SOFC的应用局限在靠近天然气供气网的区域内，从而使这项新技术的应用受到限制。因此存在着让SOFC使用液态燃料的迫切要求。因此，应与大型石油公司合作进行该课题的研究开发，选择一种适宜的液体燃料并设计出最适于使用这种新燃料的SOFC发电装置，以便为边远的用户服务。 (4)C02的分离：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一种能将CO2从完全反应后的燃料中分离的SOFC设飞方案。例如，当把其装在用于回收油的平台上时，可以把CO2用泵压到地下储层中，这不但可省去CO2的排放税，还可提高原油的产出量。 (5)综合性应用：CO2分离装置可能是点火的火花装置，它使得SOFC在一种封闭且可再生的能量循环中成为关键性部件。经过-段时间，SOFC能产生出热量和电力，例如用于大型暖房的设施中，SOFC装置产生的C02可用来加快植物的生长。而任何一种农作物收获后的剩余有机物都可以转化为气体供给SOFC作燃料。