清华大学生论文燃料电池原理及实现和改进

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1、摘要本文坐寸燃料雷池的基本概念，基本工作原理和特性作了言羊介富召，坐寸其工作效率和 提高效率的方法作了定量言寸京盒亚著重研究了在中阈有1WB用前景的熔融氧化物燃料t 池畿t装置的工作情兄，提出了改逵方案。辱触建字燃料雷池MCFC整醴煤麻化聊合迫圈燃料雷池Abstract: The basic concept, working principle and characteristics of the fuel cell are described in detail. The efficiency and the methods to increase efficiency of the fue

2、l cell are studied through calculation. The performance of the MCFC power plant which can be widely used in China in the future have also been investigated in detail. The improvement to achieve high efficiency are presented.KEY WORD: FUEL CELL , MCFC , IGCMFC1引言能源作舄现代人文明的支柱走棠之一，越来越受到人仍的高度重视。目前能源利用中存

3、 在丽大冏题：（1）利用效率不高：普通的熟力畿t效率平均彳堇舄30%-40%，面封日益聚 缺的能源现状，提高能源利用效率迫在眉睫。（2）污染霰重：能源消耗中所走生的各/重 ）1麻已霰重污染了璞境，堪合人和生物生存空带来霰重威叠。面封如此现状，研究畿 高效，筋能，低污染的色技彳-燃料雷池成舄常今一大熟F靠舌题。由於成本遏高，雉以投入8祭生走等原因，燃料雷池（fuel cell）自彳篷1893年由英 阈人W.Grove畿明以彳爰，曾一度被遗忘，直到本世 60年代彳爰期也只能被用於阿波耀（ Apollo）和燮子星座（Gemini）太空船等特殊埸合。可是近年来，由於低僵格催化蒯的 畿，再加上多一般畿t

4、方式不可比摄的僵黑&燃料雷池雷特别是大规模stw的建言殳 又重新舄人仍所重视。一般的火力畿t是把燃料WB能，勤麻翰檄旋而雷，而燃料雷池是把燃料 的化孥能直接W燮舄t能的装置，省去了熟檄的璞筋。燃料雷池比普通畿t方式有浆多戛 黑占：1.不受熟檄效率（卡迫圈）的限制，彳筮而使迫圈效率有了的提高。祭效率可建 60%以上。逼比普通的蒸汽畿t有很大的越性。2届物污染少，例如：氢氧燃料蠢也的 最条冬走物只有水。3.由於照大型旋W檄械，故噪音小。目前燃料雷池的畿展主要有丽重趣势：第一是小型化，以遒雁在汽聿和手提t胸内使 用，主要以PEMFC舄代表。第二重是形成规模化燃料雷池StW，以期替代傅统的火力畿 t形

5、成第四代新型能源。逼方面主要以熔融碳酸兽型MCFC舄代表。本文将重黑占封其逵行言寸 兰会 Offlo2燃料t池基本工作原理按一般t池的表示方法，燃料t池可表示舄Re/t解/Ox式中，Re表示氢，肼，埋，CO等 活性遢原蒯。Ox表示氧，遏氧化氢等氧化蒯；t解舄用氢氧化2甲溶液，澧磷酸溶液，雕 子交换膜，熔融碳酸兽等，其原理模型如圈1所示。比如现在言殳想一侗用氢作燃料，用氧做氧化蒯，t解用氢氧化2甲溶液的燃料t池。逼侗 t池的髓系可表示舄H /KOH/O逼B寺t池反雁舄： 11燃料t池原理模型 如刖正潮盆恩反雁由於燃料蠢也的基本性能坐情站言殳言十起重要作用，故首先封其逵行必要的言寸赢雷池有丽 大基

6、本性能m： 1墨雷能量2周路雷厘。现分别分析如下：（1）.最大畿雷能量根撮化孥熟力孥知，坐寸以可逆定温反雁的燃料雷池，言殳和穗定流入系统，而彳筮系统穗 定流出，忽略勤能和位能燮化，则此燃料雷池在檬率状熊下坐寸外做的最大有用功舄： 由得：即消耗每kJ，最大可畿出237146kJ的雷能。如反雁温度燮舄500K，根撮G=H-TS得：不同温度下（其他参敷不燮），燃料雷池反雁的最大输出雷能如圈3所示 可见，随著温度的升高，输出最大有用功略有下降。周路E一般雷池雷勤势等於鲍成雷池的丽侗雷橄的平衡雷橄雷相位差。如下式： 式中：E舄雷池的1勤势（V）舄正橄平衡1橄1位（V）舄匍应平衡1橄1位（V）在非檬率状熊

7、下，1橄1位由方程堪合出其中a和分别舄1橄反雁中氧化熊和遢原熊物活度。坐寸於反雁舄的燃料1池有：（1）其中，可见，提高温度可使路1JE和E提高，如T=273.15 B寺而常T=900K B寺，由式（1）可算得E=1.56v,同B寺我仍看到，T不剿寺，典lgP P成正比， 如圈4所示1 4厘力的坐寸敷典路1麝泉性蒯系示意1!可见：1.罩侗燃料1池1JE很低，8祭生走中要探用多侗1池串速的1堆（Stack ）的方 式。2.提高反雁温度T和反BBE力可提高输出1E，#而提高1池性能，逼坐寸彳爰面的 言殳言十有重要的指辱作用。下面言寸制燃料1池的效率冏既 燃料1池的理想效率就是燃料1池在保持1勤势E值

8、的情 ，兄下做功，即以制艮小的1流做功的理想值。撮前面的叙述，其最大值舄。言殳燃料的燃 焕熟舄Q=-，则燃料1池的理想熟效率（即最大熟效率）舄 例如在E舄檬率1势畤，如T=25，坐寸 具U=常T=427 B寺=0.852,可鬼温度的提高可使燮大。燃料1池工作B寺由於内1阻和橄化等 原因，一部分能量页享化舄熟能而耗散掉，使祭1E V小於理值E，定羲1E效率，则燃料1池的祭熟效率，同B寺燃料1池畿1系统的效率遢包括燃料虚理装置和逆燮器的效 率和绘熟利用。故燃1池畿1系统盆恩效率其中底迫圈（Bottoming Cycle）舄绘熟或未反雁的尾B供燃新耕段和蒸汽BS1，供 熟是将绘熟用於探暖，琨熟1聊走

9、。由此可见，充分利用底迫圈可有效提高醴效率。 逼也是彳爰面改逵的一大方向。目前我阈的1力供B以煤舄主要燃料，效率低，污染大。舄了改燮现状，迫切需要畿展新 型色能源，而燃料1池大家族中的一-MCFC熔融碳酸兽型燃料1池照疑是最佳邀撑。 MCFC的基本备茴啻如1 5示：1 5 MCFC的基本工作原理蠢也用多孔NiO作酬应，多孔卬作陶阻熔融碳酸兽作雷解登爵应反雁舄 如刖 正潮 盆恩反雁此反雁的熟力孥和雷化割性在前面已条盟羊霸寸遏，故在下面将直接引用M亥雷池路BE可见要提高路雷JE,必提高和之入口分厘及反雁温度。同B寺雷池本醴效率（非醴 效率）。如言忍舄每消耗1mol粹放1.930 B量，则T=100

10、0K B寺，则可见燃料B池效率典罩醴 BE E成正比，E燮大则燮大。可见，只有提高反雁温度和E力，才可使E提高，彳筮而效率 也提高。粽上所述，提高E力和温度是提高畿B性能和效率的主要手段。MCFC的高效率也正是因 舄其1000K的反雁温度和3atm以上的工作E力。可是，舄了有隹持如此的燃料BBDE力和 温度，需要E麻檄做功，亚且予支大量的熟量。逼些能量彳筮何而来最经潸？反雁彳爰的高温 高E尾麻含有大量熟值很高的氢麻，亥如何利用?煤麻化是常前方典未艾的新技彳府，如何 把它用於MCFC畿B敲？金十封以上冏慝簟者言殳想了下面的煤麻化MCFC聊合畿B敲示意1（ 1 6）。舄了便於定量分析，一些矣田筋冏

11、题1中已做了筒化，亚且言殳想了可能的参敷。1 6簟者言殳想的MCFC聊合迫圈畿B敲备茴啻示意1言殳想的燃料B池畿B敲基本畿B遏程如下：首先将煤典593，5atm的水蒸汽在高 温下反雁：，生成900的，再经遏换熟器彳爰脱硫（除去，防止催化蒯中毒），最彳爰温 度降舄逵入燃料B池陶橄，此B寺麻E舄，反雁彳爰之剩绘麻醴中含和未反雁之，经遏分 雕器B彳爰分舄丽路，分雕的水蒸汽凝结成的水彳爰经换熟器温度升舄，重新逵入燃料换 器典C反雁。分雕之可用於燃麻-蒸汽聊合迫圈（将在彳爰面介富召）。的空aEBE 力升舄，彳爰经换熟器，温度升舄逵入陪橄反雁，亚将反雁中B池内阻走生的熟带出， 反雁彳爰之a醴逵入透平做功，

12、做的功一部分推勤EB檄堪合B池陪橄提供高E空a，一部 分勤畿B檄畿B。彳筮陶橄排出的尾麻因含有大量未反雁的氢a故首先经分雕器分雕舄76 度的水和富氢a醴，水用於煤a化，充分筋的了雷用水，而氢a则用於燃a-蒸汽聊合 迫圈（彳爰面ww述）。逼套装置有以下畿大特黑占：1）利用煤麻化的熟量。在燃料换器中之反雁亥反雁的反雁熟舄，舄放熟反雁。装置中将亥熟量通遏换熟器加熟水蒸a，避免了额外 支出能量。2）利用反雁彳爰陪橄的剩绘尾a带出反雁中b池走生的欧姆熟，推勤透平做功 ，畿B的同EaBS提供高E燃a。3）把未反雁完的富fis尾a分雕出水 彳爰送至燃a蒸a聊合循璞系统畿b。4）部分最条冬的尾a可用于敲围的空

13、a筋。5）由於 技彳府限制，在C中坐寸煤a逵行脱硫虚理B寺，温度不可太高。故利用换熟器E1,E2坐寸逵出脱硫 装置的a醴逵行降温升温虚理，充分筋的了能量。下面定量猷亥b站的雷效率逵行言十算：彳筮1中可以看出，b池惭应和酬应入口虚be舄 3.5atm，惭舄等量的和，酬舄空B，即23%和77%。所以和分E分别舄和，所 以亥燃料雷池反雁中输出的最大有用功可以由下面的吉布斯方程言十算出：假言殳每小B寺有流入惭S，利用率舄80%，则根撮前面算得的最大有用功（1示工）兄下 ）可知，燃料B池畿雷效率舄而 的熟值H舄。由此可知燃料B池本醴的效率舄若考虑封反雁完之排出aB行聊合迫圈，则醴效率将更高。遢假言殳流量

14、舄陪橄虚空 麻流量舄，根撮反雁式知消耗量舄则彳筮陪橄出口流出的康流量舄同畤透平入口温度，经遏透平je力降舄，将a醴近似看作氮a,则每小畤坐寸外做功量根撮n 6知，言殳透平勤Ea檄c每小畤做功舄，空a流量，出口温度舄，入口温度 舄，则故透平祭向外输出雷能最大舄可见，常使用透平作舄聊合迫圈彳爰，燃料雷池畿雷系统盆恩效率舄可见效率有明提高，整侗雷站向外输雷功率舄827 +4400 = 5227kW舄5.2兆瓦级雷站，以 上只是考虑了燃料雷池本醴的畿雷效率，舄了全面地将言殳想的燃料雷池SBW和普通火力 SBWB行效率比页如需考虑煤a化的效率，具醴分析如下：因舄每小B寺有近的氢用 於畿雷，则根撮反雁式可

15、知炭消耗率舄，即。言殳想在换器中，檬率煤被a化的效率舄80%（是是目前煤麻化的 一般水率），则消耗煤率舄根撮前面的言十算，坐寸雁的畿雷量舄，则畿雷耗煤率舄亚且可知，整侗雷站效率舄。舄了便於比页如再看一下普通火力雷敲的情兄：其畿雷 遏程舄：煤燃焕高温高e蒸a透平 畿雷檄 雷能考虑透平，!1和畿雷檄的祭效率彳爰，普通雷敲的雷耗煤率平均的舄320g/kWh,效率的舄40%。可见照效率遢是耗煤量MCFC雷敲都KK於普通火力雷敲，消耗罩位品 檬渤某MCFC WWS量是普通火力雷站的320/130=2.46倍，燃料蠢也大规模畿雷的僵越性 可见一斑。同B寺我仍看到，由於氢麻利用率只有80%，每小B寺就有的氢

16、麻作舄尾a排出，可言殳想将 逼一部分氢a先引入燃a翰檄，燃焕膨眼做功，勤畿雷檄畿雷，再用燃a翰檄排出的高 温）ia加熟蒸汽!，走生高温高e蒸汽推勤透平坐寸外做功畿冒整侗附加装置如圈7.所示。1 7使用此方法充分利用燃料雷池未反雁的尾a，可使反雁的效率逵一步提高。3经潸性分析最彳爰，我仍再彳筮经潸角度分析套装置的可行性。燃料雷池聊合迫圈的经潸性分析以装置的罩位畿雷成本僵格舄檬率。装置的年盆恩投黄费用舄PE:PE=CAP+M+OMM= FH式中：CAP装置着本的年消耗额M燃料的年消耗C装置盆恩黄本F燃料能量的消耗率OM装置遑行和有隹的年费用燃料罩位能量的僵格。票率煤耗僵格）H装置的年遑行小B寺敷可

17、得出罩位畿雷僵格：式中：W装置的畿雷功率（KW）坐寸比上述改B彳爰的燃料雷池聊合迫圈和普通畿雷装置的罩位畿雷僵格，燃料雷池聊合循 璞由於结合了多项新技彳府，初期建言殳的一次性投黄大，故CAP 的值段大，可撮前面罩位 畿雷耗煤量的比段言十算可知其M 项的值段小；普通畿雷装置中CAP 的值段小，而M项坐寸雁 值则大得多。同畤，由於燃料雷池畿雷遑行穗定，日常MWW用OM低，且由於尾麻中照粉 崖,等污染物，故不需要高昂的尾麻浮化费用。因此，燃料雷池聊合迫圈的僵黑占就在於其 装置迫圈的效率高，原料的消耗段小，日常遑行费用低，但初期投黄高是其一大冏题。舄 保效率提高B寺装置的罩位畿雷僵格不至升高，雁有下式

18、： 可以得到以下结果：可见，效率提高B寺，装置的投黄费用的提高有一彳固限制。因此，在改逵燃料雷池聊合迫圈 效率畤，需要考虑装置投黄费用的提高程度。事上，由於探用了低成本催化蒯，高温脱 硫等技彳机雷站的建言殳费用可大舄降低。金十坐寸目前中阈现状，我f髡殳想可以在常规雷站的 基磴上改建成MCFC雷站，充分利用雷站现有黄源，是檬可以编短建言殳遇期，筋的费用。 燃料雷池聊合迫圈的遑行穗定性同檬坐寸整侗遑管效率也有很大献，因舄普通畿雷敢停一 次要耗雷能折合檬率煤120150噬，停遑次敷增加，加之启攵勤成功率的影警，年均消耗的 燃料就要多，最条冬造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料雷池畿雷由於照大型旋檄械，

19、 故障率低，可以速穗定遑页京H值递高於普通SB，S致降低，故有很大的经潸雁用前 景。结束言吾以上只是封燃料雷池畿雷技彳府的一些初浅分析和改逵，可是彳筮中我f足以看出，燃料雷池 畿雷技彳府目前虽隹然遢有很多不成熟之虚，可是效率高，污染小的僵黑占必将使它成舄下一代 有录色能源5鱼有力的竟宽争者。参考文献11】工程熟力孥题型分析（第二版），朱明善盥臊页史琳，清革大孥出版社，2000, 4 12】雷工高新技（第一分册），中阈雷工技彳府孥畲，檄械工棠出版社，2000, 4 13】新1池本，（日）吉潭四郎等，化孥工棠出版社，1987;14】燃料蠢也畿和利用的必要性，彭茂公，能源研究典盈几2000, 3;1

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