能源科技概論

第八章

氫能臺(tái)北城市科技大學(xué)機(jī)械工程系能源科技概論

第八章

氫能臺(tái)北城市科技大學(xué)可攜式燃料電池VollerEnergyV100能碩(EnerMaster)EM-H1000D1可攜式燃料電池VollerEnergyV100能碩(EnMasterflexFuelCellBike美國(guó)Honda氫燃料電池汽車

運(yùn)輸用燃料電池(圖片摘自/hydrogencars2005.htm)MasterflexFuelCellBike美國(guó)HoUTCFuelCells5kWEnergyCenterMTUHotModule(MCFC)定置型燃料電池(圖片摘自)(圖片摘自)UTCFuelCellsMTUHotModule微小型燃料電池Toshiba(圖片摘自/archives/2005/09/batteries_stink.php#)(圖片摘自/articles/09/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)Sony微小型燃料電池Toshiba(圖片摘自http://www.什麼是燃料電池？燃料電池是一種可以把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置燃料電池是一種電能產(chǎn)生裝置，而非電能貯存裝置燃料電池是一個(gè)系統(tǒng)，而非單一元件燃料電池鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池什麼是燃料電池？燃料電池是一種可以把反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為fuel(化學(xué)能)熱能steam(高溫高壓)runningturbine(機(jī)械能)runninggenerator(電能)FuelCell(電化學(xué)反應(yīng))O2H2H2O電能傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換過(guò)程什麼是燃料電池？fuel熱能steamrunningturbinerun燃料電池基本原理燃料電池之父WilliamGrove爵士於1839年發(fā)明燃料電池：藉由觸媒將水電解反應(yīng)逆向操作，產(chǎn)生電流。H2O2e-H2O2e-白金電極

(Ptelectrodes)酸性電解質(zhì)

(diluteacidelectrolyte)A水電解反應(yīng)氫氧燃料電池反應(yīng)+-燃料電池基本原理燃料電池之父WilliamGrove爵士圖片來(lái)源:PEMFuelCells–TheoryandPractice,byF.Barbir,ElsevierInc.(2005)燃料電池的發(fā)展燃料電池發(fā)明太空計(jì)畫(huà)新產(chǎn)業(yè)誕生圖片來(lái)源:PEMFuelCells–Theory為什麼使用燃料電池？替代能源主要使用氫氣直接產(chǎn)生電能，可替代既有燃油動(dòng)力來(lái)源和電力取得方式；雖然也使用甲醇、乙醇及其他碳?xì)浠衔锏热剂?，但其選擇具有替代性。環(huán)保能源潔淨(jìng)、安靜，電化學(xué)反應(yīng)無(wú)噪音，主要生成物為H2O。高效能源高效率、高能量密度，相對(duì)減少系統(tǒng)的體積和重量，並延長(zhǎng)供電運(yùn)作時(shí)間。便利能源獨(dú)立性、可攜性高；不需充電器，完全無(wú)線(wireless)需求，補(bǔ)充燃料不需長(zhǎng)時(shí)間等待。為什麼使用燃料電池？替代能源燃料電池的限制

成本高

功率密度受限

氫燃料取得與儲(chǔ)存技術(shù)

操作溫度的影響

對(duì)於環(huán)境污染物的敏感性

耐久性議題燃料電池的限制成本高燃料電池的種類溫度低溫高溫燃料電池種類質(zhì)子交換膜型PEMFC/DMFC鹼液型AFC

磷酸型PAFC

熔融碳酸鹽型MCFC固體氧化物型SOFC操作溫度70~80℃80~100℃200~220℃600~650℃800~1000℃可用燃料天然氣、甲醇、汽油精煉氫氣、電解副產(chǎn)氫氣天然氣、甲醇、輕油天然氣、甲醇、石油、煤碳天然氣、甲醇、石油、煤碳電流密度高高普通普通高可能應(yīng)用領(lǐng)域小型發(fā)電機(jī)組、分散型發(fā)電、移動(dòng)式電源、運(yùn)輸工具電源太空船、潛水艇汽電共生、分散型發(fā)電、離島地區(qū)發(fā)電、移動(dòng)式電源、運(yùn)輸工具電源汽電共生、分散型發(fā)電、取代大規(guī)?；鹆Πl(fā)電汽電共生、分散型發(fā)電、取代中規(guī)?；鹆Πl(fā)電*資料來(lái)源：工研院IEK、東亞產(chǎn)經(jīng)資訊網(wǎng)燃料電池的種類溫度低溫高溫燃料電池種類質(zhì)子交換膜型燃料電池的基本結(jié)構(gòu)

電負(fù)載質(zhì)子交換膜Electrolytemembrane氣體擴(kuò)散層

GDL觸媒層

CatalystLayer陽(yáng)極流道Anodeflowchannel集電區(qū)CurrentCollector石墨流道板Graphiteend/bipolarplate陰極流道Cathodeflowchannele-e-H+H2O2燃料電池的基本結(jié)構(gòu)電負(fù)載質(zhì)子交換膜ElectrolyteMembraneCatalystC/Pt-RuCatalystC/PtAnodeGDLCathodeGDLSOURCE:Antig膜電極組(MEA)MembraneCatalystCatalystAnode觸媒電極圖片來(lái)源：JournalofPowerSources74(1998)211-218觸媒電極圖片來(lái)源：JournalofPowerSouElectrochimicaActa49(2004)4149–4156碳紙?zhí)疾細(xì)怏w擴(kuò)散層ElectrochimicaActa49(2004)雙極板Freudenberg-NOKsealingtechnology/sci/fuelcellprogram/projects.htmlOakRidgeNationalLaboratoryMetallicBipolarPlatesSchunkGraphiteTechnology-compressionmolding雙極板Freudenberg-NOKhttp://www.o電池堆(圖片來(lái)源：/2008/03/bac2-introduces.htm)l電池堆(圖片來(lái)源：http://www.greencarcoBallardPowerSystems(Canada)電池堆ESOROhyCar(圖片摘自Ballard公司網(wǎng)頁(yè))BallardPowerSystems(Canada)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)(圖片摘自Quantumtechnologies,Inc.公司網(wǎng)頁(yè))氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)(圖片摘自Quantumtechnologie燃料電池系統(tǒng)World'sFirstHydrogenFuel-Cell,Plug-InElectricHybridBus(Burbank)FuelCellHydrogenVehicle(FCHV,Toyota)(圖片摘自/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html)(圖片摘自)燃料電池系統(tǒng)World'sFirstHydrogenFMOTOROLA’sIMPRESTMChargerPackage(1W)燃料電池系統(tǒng)MOTOROLA’sIMPRESTMChargerPa製氫技術(shù)氣態(tài)燃料蒸氣重組或部分氧化液態(tài)燃油蒸氣重組或部分氧化煤的氣化水電解生質(zhì)酒精改質(zhì)生物質(zhì)熱解藻類光合製氫製氫技術(shù)氣態(tài)燃料蒸氣重組或部分氧化氫基礎(chǔ)設(shè)施Honda’sSolarHydrogenRefuelingStation,JapanHydrogenstation(Denmark)/entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/http://www.vatgas.se/shhp/news.html氫基礎(chǔ)設(shè)施Honda’sSolarHydrogenRe再生式燃料電池系統(tǒng)electrolyserfuelcellsolarcelldemonstrationofafuelcellfueledbyanelectrolyserdrivenbysolarcells再生式燃料電池系統(tǒng)electrolyserfuelcell附錄附錄OxidationANODEReductionCATHODEDirectMethanolFuelCell(DMFC)(Figuresource:Antig’swebsite)陽(yáng)極陰極甲醇水溶液氧氣二氧化碳水DMFC基本原理OxidationReductionDirectMethaDMFC甲醇ChemicalEnergy(Em)水ChemicalEnergy

(Ew)氧Chemical

Energy

(Eo)熱電能Energy(Ee)二氧化碳ChemicalEnergy

(Ec)Em+Eo=Ee+Ew+Ec+Heat

chemicalenergy:Gibbsfreeenergyofformationgf dependsonthestateandtemperatureDMFC能量轉(zhuǎn)換DMFC甲醇水氧熱電能二氧化碳Em+Eo=Ee+(1)(2)(3)(4)Terminologies

overvoltage/overpotential,polarization,irreversibility,losses,voltagedropCausesofovervoltages

activationlossesfuelcrossoverand internalcurrentsohmiclossesmasstransportor concentrationlossesFig.source:Larminie,J.,andDicks,A.2003.FuelCellSystemsExplained.Ed.2nd.NewYork:JohnWiley&Sons,Ltd.燃料電池極化曲線(1)(2)(3)(4)TerminologiesFig.燃料電池的效能operationvoltage:about0.3V-0.4V燃料電池的效能operati