文档介绍：燃料电池原理与应用
韩吉田
山东大学能源与动力工程学院
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本课程的主要内容
本课程主要介绍清洁能源和燃料电池技术的发展历史与现状、燃料电池的基本原理、特点、结构与应用以及电化学基础;重点阐述各种类型燃料电池的工作原理、结构特点与系统集成、技术水平、研究现状和典型系统的分析与应用;氢能与燃料电池技术的发展前景与展望。
本课程特别注意结合热能工程专业的特点讨论我们在清洁能源与燃料电池领域能做什么和如何做。
本次课的主要内容
能源、环境与经济
能源利用技术比较与分析
燃料电池原理、分类与应用举例
氢能与氢能经济简介
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第一章概述
一、能源、环境与经济(Energy, Economy, and Environment, E3,3E问题)
能源是提高的重要物质基础和动力,也是直接影响国民经济发展的重要制约因素之一。
对于当今世界来说,人类对能源的需求越来越高,而举世关注的日益严重的全球性环境问题使环境保护已成为人类社会可持续发展战略的核心问题之一,是影响当前和今后世界各国的能源决策和科技导向的关键因素,成为能源科技发展的巨大动力。
20世纪所建立的以化石燃料为主的能源利用体系已无法满足未来社会对高效清洁经济和安全的能源体系的要求,能源利用、经济发展和环境保护面临前所未有的巨大挑战。
由于无节制的利用,可利用能源资源正在日益减少,石油和煤炭等化石能源的储量在可以预见的有限时间内就将消耗殆尽。
以山东的能源形势为例:
煤炭、火力发电、核电?
由于能源结构的不合理和现有技术水平的限制,使传统能源的生产和消费造成了严重的环境污染,全球性的气候变化与温室效应密切相关。
而温室效应的原因主要是由于全球目前的能源体系,即化石燃料燃烧后所放出的CO2气体。
据统计,化石燃料占世界能源消耗的百分之八十以上,而且每年以3%的幅度持续增长。
因此,提高能源利用效率、降低污染物排放和发展替代能源将成为21世纪的关键课题之一。
到目前为止,bustion)和热机(Heat engines)过程实现的。
可将该过程表示如下:
燃料的化学能热能(蒸汽或燃气)机械能电能
对于火力发电厂来说,其能量转化过程为:
燃料→锅炉燃烧→蒸汽→蒸汽轮机→发电机→电能
以燃气轮机发电的过程也是类似的。
燃烧与热机过程存在的主要问题:
燃烧过程不但能源利用效率低,而且会产生大量的SOx,NOx,CO2等污染物、颗粒物、灰尘和噪声等。
可以这样说,几乎所有的污染物排放都与燃烧过程有关。
例如:汽车等城市交通工具的尾气排放是城市环境的主要污染源,随着汽车工业的发展,汽车尾气排放已成为举世瞩目的环境问题之一。
火力发电厂的排放是另一大的污染源。
热机过程由于受卡诺定律的限制,其能量转换效率是很低的。
问题:
目前火力发电厂的效率是多少?
内燃机的效率是多少?为什么?
负荷特性如何?提高的可能性?
因此,目前通过燃烧和热机等的能源利用方式具有能源利用效率低和环境污染严重的双重缺点,且负荷特性不好!
大型集中供电系统的安全性问题?