氢氧燃料电池能量转换率比氢气直接燃烧高?_百度作业帮
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氢氧燃料电池能量转换率比氢气直接燃烧高?
氢氧燃料电池能量转换率比氢气直接燃烧高?
没错.在这里反映的温度越低,能量转化率越高.对于这个现象的解释稍稍用到一点大学的内容.氢氧燃料电池与氢气直接燃烧放出的能量是一定的,所以在相同的压力下他们的焓变（ΔH）是一样的.而反应所能做的有用功等于它的自由能变（ΔG）,而ΔG=ΔH-Δ（TS),T是温度,S是熵,可以假设他不随温度改变,故ΔG=ΔH-TΔS,可以看出T越高,ΔG越低,所能做的有用功越少,因此效率越低.用这个道理也可以解释为什么生物转化化学能的效率较高.设计技术&&
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燃料电池的新进展
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高培德（中国科学院上海冶金研究所　上海）
早在1839年，英国人W.Grove就提出了和反应可以发电的原理，这就是最早的-(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液和液的小型，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。由于具有效率高、对环境小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，必会给汽车动力带来一场革命，是唯一同时兼备无、高效率、适用广、无和具有连续工作和积木化的动力装置。预期会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2000年在能源系统市场将提供1 500～2 000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年在运输方面的商业价值将达到90亿美元。
的工作原理和分类、特点和优势
发生电化学反应的实质是气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和(或空气)不断由外界输入，因此是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型为例，图1为的结构示意图。
　　在电极上反应如下：
　　阳极反应：H2+CO32-＝H2O+CO2+2e-
　　阴极反应：1/2O2+CO2+2e-＝CO32-
　　总反应：1/2O2+H2＝H2O
多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型(PAFC)――第一代FC；熔融碳酸盐型(MCFC)――第二代FC；固体化物型(SOFC)――第三代FC。表1列出了几种主要类型的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。
近20多年来，经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸电厂、熔融碳酸盐电厂、质子交换膜电厂作为示范(表2)。
电厂所以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，具有无可比拟的特点和优势。
1.效率高　效率比热机和发电机效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50%，当用热机带动发电机时，其效率仅为35～40%，而的有效能效可达60～70%，其理论效率可达90%。其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池效率为20%，均无法与相比。
2.小、低　作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少排放(表3)。对于而言，发电后的产物只有水，可实现零。另外，由于无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无。
3.高度可靠性　发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当的负载有变动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。
4.比能量或比功率高
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燃料电池（Fuel Cell）
文章摘要: 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是反应过程不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。 (共1页)
文章关键词:字体大小:14
浅谈燃料电池原理及实现和改进
</span文/李伟强
摘要：能源作为现代人类文明的支柱产业之一。本文论述了燃料电池工作原理及实现和改进。
& 关键词：燃料电池 工作原理 比较分析
& 一、燃料电池基本工作原理
& 按一般电池的表示方法，燃料电池可表示为Re/电解质/Ox式中，Re表示氢，肼，烃，CO等活性还原剂。Ox表示氧，过氧化氢等氧化剂；电解质为用氢氧化钾溶液，浓磷酸溶液，离子交换膜，熔融碳酸盐等。
& 由于燃料电池的基本性能对电站设计起重要作用，故首先对其进行必要的讨论。电池有两大基本性能参数：1.发电能量2.开路电压。现分别分析如下：
& （1）最大发电能量
& 根据化学热力学知，对以可逆定温反应的燃料电池，设?和?稳定流入系统，而?从系统稳定流出，忽略动能和位能变化。则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为：最大可发出237146kJ的电能。
& （2）开路电压
& 一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差。单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个电池串连的电堆（Stack）的方式；2.提高反应温度T和反应气体压力可提高输出电压，从而提高电池性能，这对后面的设计有重要的指导作用。下面讨论燃料电池的效率问题：燃料电池的理想效率就是燃料电池在保持电动势E值的情况下做功，即以无限小的电流做功的理想值。据前面的叙述，其最大值为：
& 当T=427时＝0.852,可见，温度的提高可使变大。燃料电池工作时由于内电阻和极化等原因，一部分能量转化为热能而耗散掉，使实际电压V小于理论值E，定义电压效率，则燃料电池的实际热效率,同时燃料电池发电系统的效率还包括燃料处理装置和逆变器的效率和余热利用。
& 其中底循环（Bottoming Cycle）为余热或未反应的尾气供燃气轮机和蒸汽轮机发电，供热是将余热用于采暖，实现热电联产。由此可见，充分利用底循环可有效提高总体效率。这也是后面改进的一大方向。
& 目前我国的电力供应以煤为主要燃料，效率低，污染大。为了改变现状，迫切需要发展新型绿色能源，而燃料电池大家族中的一员&&MCFC熔融碳酸盐型燃料电池无疑是最佳选择。可见要提高开路电压，必须提高和之入口分压及反应温度。同时电池本体效率（非总体效率）。如认为每消耗1mol释放1.930电量，则T=1000K时则可见燃料电池效率与单体电压E成正比，E变大则变大。可见，只有提高反应温度和压力，才可使E提高，从而效率也提高。
& 综上所述,提高压力和温度是提高发电性能和效率的主要手段。MCFC的高效率也正是因为其1000K的反应温度和3atm以上的工作压力。可是，为了维持如此的燃料气进口压力和温度，需要压气机做功，并且预支大量的热量。这些能量从何而来最经济反应后的高温高压尾气含有大量热值很高的氢气，该如何利用煤气化是当前方兴未艾的新技术，如何把它用于MCFC发电厂
& 二、MCFC发电厂与普通电厂的比较
& 针对以上问题，笔者设想了下面的煤气化MCFC联合发电厂。为了便于定量分析，一些细节问题图中已做了简化，并且设想了可能的参数。
& 设想的燃料电池发电厂基本发电过程如下：首先将煤与593，5atm的水蒸汽在高温下反应，生成900的汽，再经过换热器后脱硫（除去,防止催化剂中毒），最后温度降为进入燃料电池阳极，反应后之剩余气体中含和未反应的，经过分离器B后分为两路，分离的水蒸汽凝结成的水后经换热器温度升为，重新进入燃料转换器与C反应。分离之可用于燃气&&蒸汽联合循环的空气经压气机压力上升，后经换热器，温度升为进入阴极反应，并将反应中电池内阻产生的热带出，反应后之气体进入透平做功，做的功一部分推动压气机给电池阴极提供高压空气，一部分驱动发电机发电。从阳极排出的尾气因含有大量未反应的氢气故首先经分离器分离为76度的水和富氢气体，水用于煤气化，充分节约了发电用水，而氢气则用于燃气&&蒸汽联合循环。
& 这套装置有以下几大特点：1）利用煤气化的热量。在燃料转换器中之反应。装置中将该热量通过换热器加热水蒸气，避免了额外支出能量。2）利用反应后阴极的剩余尾气带出反应中电池产生的欧姆热，推动透平做功，发电的同时带动压气机为阴极提供高压燃气。3）把未反应完的富氢阳极尾气分离出水后送至燃气蒸气联合循环系统发电。4）部分最终的尾气可用于厂区的空气调节。5）由于技术限制，在C中对煤气进行脱硫处理时，温度不可太高。故利用换热器E1,E2对进出脱硫装置的气体进行降温升温处理，充分节约了能量。
& 当使用透平作为联合循环后，燃料电池发电系统总效率有明显提高，整个电站向外输电功率为827＋kW为5.2兆瓦级电站。为了全面地将设想的燃料电池发电厂和普通火力发电厂进行效率比较，需考虑煤气化的效率。考虑透平，锅炉和发电机的实际效率后，普通电厂的发电耗煤率平均约为320g/kWh,总效率约为40％。无论效率还是耗煤量MCFC电厂都远远优于普通火力电厂，消耗单位质量标准煤MCFC电厂发电量是普通火力电站的320/130=2.46倍，燃料电池大规模发电的优越性可见一斑。
& 三、&经济性分析
& 最后，我们再从经济角度分析该套装置的可行性。燃料电池联合循环的经济性分析以装置的单位发电成本价格为标准。装置的年总投资费用为PE:PE=CAP+M+OM；M=FH（式中：CAP装置总资本的年消耗额；M燃料的年消耗；C装置总资本；F燃料能量的消耗率；OM装置运行和维护的年费用；燃料单位能量的价格；H装置的年运行小时数）可得出单位发电价格。（式中：W装置的发电功率)。
& 四、&结束语
& 对比上述改进后的燃料电池联合循环和普通发电装置的单位发电价格，燃料电池联合循环由于结合了多项新技术，初期建设的一次性投资大，故CAP项的值较大，可据前面单位发电耗煤量的比较计算可知其M项的值较小；普通发电装置中CAP项的值较小，而M项对应值则大得多。同时，由于燃料电池发电运行稳定，日常维护费用OM低,且由于尾气中无粉尘,等污染物，故不需要高昂的尾气净化费用。因此，燃料电池联合循环的优点就在于其装置循环的效率高，原料的消耗较小，日常运行费用低，但初期投资高是其一大问题。
& 燃料电池联合循环的运行稳定性同样对整个运营效率也有很大贡献，因为普通发电启停一次要耗电能折合标准煤120～150吨，停运次数增加，加之启动成功率的影响，年均消耗的燃料就要多，最终造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料电池发电由于无大型旋转机械，故障率低，可以连续稳定运转，H值远高于普通发电，导致?降低，故有很大的经济应用前景。
& 参考文献
& 【1】&工程热力学题型分析（第二版），朱明善 刘颖 史琳，清华大学出版社，2000，4
& 【2】&电工高新技术丛书（第一分册），中国电工技术学会，机械工业出版社，2000，4
& 【3】新电池读本，（日）吉泽四郎等，化学工业出版社，1987；
& 【4】燃料电池开发和利用的必要性，彭茂公，能源研究与信息，2000，3；
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