第9章燃料电池

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1、1第九章第九章 燃燃 料料 电电 池池29-1 概概 述述 燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置燃料电池是一种化学电池，也是一种新型发电装置, ,它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水它能把燃料的化学能直接连续地转变为电能，是继水电、火电和核电之后的第四种发电系统。电、火电和核电之后的第四种发电系统。 效率高效率高 能量转化可高达能量转化可高达80%80%，其中电能，其中电能40 %40 %、热能、热能40 %40 %（火力（火力 发电热效率发电热效率353547 % 47 % 左右，热电厂能量效率左右，热电厂能量效率606070 % 70 % ） 污染小污染小 燃料电池一般仅

2、排出水和二氧化碳燃料电池一般仅排出水和二氧化碳; 燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前，燃料电池不需传送机构，没磨损，噪音小（目前， 100200kW级燃料电池运行噪音为级燃料电池运行噪音为65db，比室内风扇比室内风扇 小，汽油机工作时噪音高达小，汽油机工作时噪音高达100db）；）； 红外信号红外信号 弱。弱。 特特 性性3 输出性能好输出性能好在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时在额定功率以上或以下运行时均能接受，负载变化时能作出快速响应。能作出快速响应。 发展简史发展简史 1889 1889年英国威廉年英国威廉格罗夫（格罗夫（GrovGrov）发明燃料电池，发明燃料电池

3、，点点 燃伦敦讲演厅的照明灯；燃伦敦讲演厅的照明灯； 1889 1889年年MoodMood和和LangerLanger首先采用首先采用“燃料电池燃料电池”的名称，的名称，并并 获得获得200200mA/mmA/m2 2; ; 发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动发电机的问世并迅速发展及燃料电池的电极过程动 力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟力学的研究未能跟上，使燃料电池的研究发展推迟 了近了近1 1个世纪；个世纪； 20 20世纪世纪5050年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大年代燃料电池研究取得实质性进展，剑桥大 学的学的BaconBacon用高压氢氧制成具有实用功率水

4、平的燃料用高压氢氧制成具有实用功率水平的燃料 电池；电池；4 20 20世纪世纪6060年代燃料电池成功为年代燃料电池成功为“双子星座双子星座”和和“阿波阿波罗罗” 飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域；飞船提供电力，氢氧燃料电池广泛进入宇航领域； 1991 1991年日本东京电力公司建成年日本东京电力公司建成1212MWMW燃料电池电站，燃料电池电站，使磷酸型燃料电池进入实用化阶段；使磷酸型燃料电池进入实用化阶段； 20 20世纪世纪9090年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得年代初质子交换膜燃料电池在实用化上取得 突破性进展，在宇航、汽车、军用移动电源、民用便突破性进展，在宇航、汽

5、车、军用移动电源、民用便 携式电源和城携式电源和城 市洁净电站等方面发展很快，十年内市洁净电站等方面发展很快，十年内 装备这种电源的汽车将装备这种电源的汽车将 大量上路。大量上路。 我国我国19581958年中科院长春应用化学所对燃料电池进行年中科院长春应用化学所对燃料电池进行研究研究19761976年有应用实例。目前我国已有年有应用实例。目前我国已有2020多个单位进多个单位进行各类燃料电池的研发。行各类燃料电池的研发。5一、工作原理一、工作原理在阳极上在阳极上eOHOHH22222在阴极上在阴极上OHeOOH222122总反应总反应OHOH22221eWHQ反应物与生成物在经过燃料电池时的

6、总焓差反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差 燃料电池提供的电功燃料电池提供的电功 燃料电池反应热燃料电池反应热 9-2 燃料电池燃料电池工作原理工作原理6二、燃料电池的电动势基本方程式二、燃料电池的电动势基本方程式 假定假定:燃料电池内的反应燃料电池内的反应 反应热与有用功相比很小反应热与有用功相比很小 ； 为室温下可逆定压反应为室温下可逆定压反应 ,max121212()uWGGHHT SS,maxueW燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功燃料电池单位工作表面积上完成的最大有用功 据自由焓的概念，系统在初终态间完成最大有用功量 电动势电动势 流过电池的电流密度流过电池的电流密度 121

7、221()eGGHHT SS12eppGGTT求导求导pGST 21epSST21peSST幻灯片 11幻灯片 167121221()eGGHHT SS12eepHHTT12peHHTT21epSST燃料电动势的基本方程式燃料电动势的基本方程式 三、燃料电池的热量三、燃料电池的热量 取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境取燃料电池及与之发生物、能交换的外界（通常为环境介质）为系统，则系统的总熵变为介质）为系统，则系统的总熵变为)()(1212SSSSS环境介质的熵变化量环境介质的熵变化量 燃料电池的熵变化量燃料电池的熵变化量 )(12SS= TQoTT 外界环境温度外界环境温度 因电

8、池内过程可逆，若外界与电池温度相等因电池内过程可逆，若外界与电池温度相等 0幻灯片 112004-11-20821()SS)(12SS 21()QSST rev21QSST21epSSTrev21epQSSTT12eepHHTT)(1221SSTHHerev12QHHTT,maxuW2121()()0SSSSS 燃料电池与环境交换热量：燃料电池与环境交换热量：0pT0pTS2S1 rev0Q 电池从外界吸收热量，电池从外界吸收热量，电池在电池在闭合的电回路中所完成有用功，闭合的电回路中所完成有用功，包括了电池内反应物系的包括了电池内反应物系的-h，和外界传入的热量。和外界传入的热量。 电池放热

9、，电池内反应物系焓电池放热，电池内反应物系焓的减少量的减少量-h中一部分以热量形中一部分以热量形式传给了外界。式传给了外界。S2S1 rev0Q 9四、燃料电池的有效效率四、燃料电池的有效效率 eeWH燃料电池有效效率燃料电池有效效率 电功电功 ，即实际产生的有用功，即实际产生的有用功 定压定温定压定温反应物的反应物的焓差；焓差；定容定温定容定温反应物的热力学能差值反应物的热力学能差值电池理论最大有用功电池理论最大有用功 ,maxuWetJ实际有用功量实际有用功量 eeWU J工作电池的端电压工作电池的端电压 ,max,maxueeuWWH W=u,maxetWU JHJ=,maxuetWUJ

10、HJ=tVi u,maxtWHeVUitJJ燃料电池热效率，在燃料电燃料电池热效率，在燃料电池进行可逆反应时即是电池池进行可逆反应时即是电池总效率总效率 燃料电池相对内效率，又称燃料电池相对内效率，又称为电池电压效率，与燃料电为电池电压效率，与燃料电池工作不可逆程度有关，当池工作不可逆程度有关，当过程完全可逆时过程完全可逆时=1=1； 电池电流效率，其原因在于电池电流效率，其原因在于反应物的非电化学分解以及反应物的非电化学分解以及反应的机械损失等反应的机械损失等 有效效率有效效率理论电流10燃料电池热效率燃料电池热效率u,maxtWH,max12()uWHT SS ,max12t()1uWT

11、SSHH 若全部过程为可逆若全部过程为可逆 rev21QSSTrevt1QH 讨论：讨论： 选择燃料电池工况，应使选择燃料电池工况，应使 ，也即使，也即使 的绝对值最小。的绝对值最小。 与反应物的性质有关，在给定的外部条件时应选择使热与反应物的性质有关，在给定的外部条件时应选择使热效率达到最大值的物质作为反应物。效率达到最大值的物质作为反应物。（1）rev0Q 燃料电池从外界吸热燃料电池从外界吸热t1rev0Q 燃料电池向外界放热燃料电池向外界放热t1燃料电池的热效燃料电池的热效率不受卡诺循环率不受卡诺循环效率的限制效率的限制revQpTrevQ（2）燃料电池内部的不可逆性，部分能量转换成无效