氫燃料電池PPT課件

1、一、前言 新能源的要求 高效、清潔、經(jīng)濟、安全 太陽能，風能，潮汐能 氫能？ 化石能源的特點 溫室效應 CO2的排放量逐年增加 卡諾循環(huán)限制 轉化效率低、能源浪費嚴重 污染嚴重 粉塵、CO2、NOx第1頁/共80頁氫能 未來最有前途的能源 氫能 受控核聚變能 而這兩種能源都與氫元素息息相關，前者直接利用氫，后者則利用氫的同位素氘 氫蘊藏于浩瀚的海洋之中 海洋的總體積約為13.7億立方千米，若把其中的氫提煉出來，約有1.41017噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上礦物燃料的9000倍第2頁/共80頁氫能正是一種理想的新的含能體能源 二次能源 “過程性能源” 電能 可從各種一次能源中生產(chǎn)出來，例如煤炭、石油

2、、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生產(chǎn)電能 “含能體能源” 柴油、汽油 生產(chǎn)它們幾乎完全依靠化石燃料 隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭 這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源 第3頁/共80頁氫的特點所有元素中，氫重量最輕。在標準狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/l；在-252.7C時，可成為液體，若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓，液氫就可變?yōu)榻饘贇渌袣怏w中，氫氣的導熱性最好，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)估計它構成了宇宙質(zhì)量的75，除空氣中含

3、有氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍第4頁/共80頁氫的特點 除核燃料外氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為142,351kJ/kg，是汽油發(fā)熱值的3倍 氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快 氫本身無毒，與其他燃料相比氫燃燒時最清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生諸如一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫經(jīng)過適當處理也不會污染環(huán)境巨，而且燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，反

4、復循環(huán)使用第5頁/共80頁氫的特點 氫能利用形式多 既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能 發(fā)電 做功 作為能源材料用于燃料電池 轉換成固態(tài)氫用作結構材料 用氫代替煤和石油，不需對現(xiàn)有的技術裝備作重大的改造，現(xiàn)在的內(nèi)燃機稍加改裝即可使用 氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)，能適應貯運及各種應用環(huán)境的不同要求第6頁/共80頁氫能有待解決的關鍵問題 廉價的制氫技術 安全可靠的貯氫和輸氫方法 氫易氣化、著火、爆炸第7頁/共80頁氫的來源 在宇宙中氫是最豐富的物質(zhì)，氫在自然界多以化合物形態(tài)出現(xiàn) 在地殼十公里范圍內(nèi)（包括海洋和大氣）化合態(tài)氫的重量組成約占據(jù)1，原子組成占據(jù)154。 化合態(tài)氫的最常見形式是水和有機物

5、（如石油、煤炭、天然氣及生命體等）。 在地球上自然存在的氫的單質(zhì)（如氫氣）數(shù)量極少。因此，欲獲得大量的單質(zhì)氫只有依靠人工制取 天然氣、石油、煤炭、生物質(zhì)能及其他富氫有機物等，都是氫的有效來源 氫的最大來源是水，特別是海水，根據(jù)計算，9噸水可以生產(chǎn)出1噸氫（及8噸氧），而氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水，因而，水可以再生。由此可見，以水為原料制氫，可使氫的制取和利用實現(xiàn)良性循環(huán)，真是取之不盡，用之不竭 工業(yè)副產(chǎn)氫也是向燃料電池提供燃料的有效途徑第8頁/共80頁氫的制取 電解水制氫 電何處來？ 礦物燃料制氫 天然氣制氫 醇類制氫 硼氫化物制氫 生物質(zhì)氣化制氫 垃圾、秸稈、稻草 太陽能制氫第9頁/共80頁電解

6、水制氫 水電解制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法之一 提供電能使水分解制得氫氣的效率一般在7585，其工藝過程簡單，無污染，但消耗電量大，因此其應用受到一定的限制 水電解制氫能耗仍高，一般每立方米氫氣電耗為455 5kWh左右 電能可由各種一次能源提供，其中包括礦物燃料、核能、太陽能、水能、風能及海洋能等等第10頁/共80頁熱化學制氫 當水直接加熱到很高溫度時，例如3000以上，部分水或水蒸氣可以離解為氫和氧 利用太陽能聚焦或核反應的熱能 第11頁/共80頁光化學制氫 光化學制氫是以水為原料，光催化分解制取氫氣的方法 光催化過程是指含有催化劑的反應體系，在光照下由于有催化劑存在，促使水解制得氫

7、氣。第12頁/共80頁礦物燃料制氫 煤制氫 煤的焦化 焦爐煤氣組成中含氫氣5560（體積）、甲烷2327、一氧化碳68等 煤的氣化 所制得煤氣組成為氫3739（體積）、一氧化碳1718、二氧化碳32、甲烷810 第13頁/共80頁礦物燃料制氫 以天然氣或輕質(zhì)油為原料制取氫氣 水蒸氣重整 CH4+H2OCO+H2 CO+H2OCO2+H2 CnH2n2+nH2OnCO+（2n+1）H2 用該法制得的氣體組成中，氫氣含量可達74（體積）。 第14頁/共80頁礦物燃料制氫 以重油為原料部份氧化法制取氫氣 重油與水蒸汽及氧氣反應制得含氫氣體產(chǎn)物 氣體產(chǎn)物組成：氫氣46（體積），一氧化碳46，二氧化碳6

8、 第15頁/共80頁生物質(zhì)制氫 生物質(zhì)氣化制氫 將生物質(zhì)原料如薪柴、鋸未、麥秸、稻草等壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進行氣化或裂解反應可制得含氫燃料氣。 其氣化產(chǎn)物中氫氣約占10左右第16頁/共80頁生物質(zhì)制氫 微生物制氫技術 利用微生物在常溫常壓下進行酶催化反應可制得氫氣 化能營養(yǎng)微生物 各種發(fā)酵類型的一些嚴格厭氧菌和兼性厭氧菌 發(fā)酵微生物放氫的原始基質(zhì)是各種碳水化合物、蛋白質(zhì)等 光合微生物 微型藻類和光合作用細菌的產(chǎn)氫過程與光合作用相聯(lián)系，稱光合產(chǎn)氫第17頁/共80頁其它合氫化物制氫 硫化氫中制取氫氣 我國有豐富的H2S資源 硼氫化鈉制取氫氣 車載氫源研究熱點 第18頁/共80頁太陽能制

9、氫 無窮無盡 太陽能熱分解水制氫 熱化學制氫 太陽能發(fā)電電解水制氫 電解水制氫 太陽光光催化分解水制氫 太陽能生物質(zhì)制氫等等第19頁/共80頁副產(chǎn)氫回收 各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計可達15億m3以上 合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達14108立方米 氯堿工業(yè)中有87106m3的氫可供回收利用 在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒廠、石油煉制廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收第20頁/共80頁儲氫合金 氫能被認為是人類最理想、最長遠的能源。作為氫氣載體的貯氫合金的研究開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化是世界性關注的課題。貯氫合金是一種特種金屬功能材料，用貯氫合金制作的鎳氫電池是一種清潔、高效的綠色能源。國外研制的烯氫汽車最高時速可達

10、100km。我國鎳和稀土儲量豐富，發(fā)展貯氫合金具有資源優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景樂觀。目前上海的一種只以氫和空氣為動力的旅游觀光車已能實現(xiàn)零污染排放，安全性能好。估計到2010年，我國鎳氫電池產(chǎn)量將突破8億只，產(chǎn)值將達到數(shù)十億元。第21頁/共80頁氫氣儲存 傳統(tǒng)儲氫方法 利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小 儲存液態(tài)氫，但液體儲存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱 新型儲氫方法 高壓液化氫氣槽(High-pressure and liquefied hydrogen tank) 金屬氫化物(Metal hydride) 碳基吸附劑(Carbon-based adsorbents

11、 )， 金屬有機配位子結構(Metal-Organic Frameworks) 此新穎材料乃利用金屬離子與有機配位子鍵結成三度空間延伸的固體，其具有較大的表面積，進而提供空間吸附氣體第22頁/共80頁氫能經(jīng)濟第23頁/共80頁氫經(jīng)濟 關于氫經(jīng)濟的最早文字記載大概出現(xiàn)在1870年儒勒凡爾納（Guies Verne）寫的一本科學幻想小說神秘島中。他在書中寫道：“我相信總會有一天可以用水來作燃料，組成水的氫和氧可以單獨地或合在一起采使用。這將為熱和光提供無限的來源，所供給光和熱的能量是煤炭所無法達到的。所以我相信一旦煤礦枯竭了，我們將會用水來供熱和取暖。水將是未來的煤炭?！钡?4頁/共80頁什么是氫

12、經(jīng)濟? 美國自”9.11”事件以后，對于氫能相關技術研發(fā)的步伐明顯加快，在國際上處于領先地位。在美2001年11月在華盛頓召開的國家氫能前景會議上形成的文件“A national vision of Americas tran-sition to a hydrogen economy-to 2030 and beyond”中，對氫經(jīng)濟的描述為：“未來的氫經(jīng)濟中-美國將擁有安全、清潔以及繁榮的氫能產(chǎn)業(yè)。美國消費者將象現(xiàn)在獲取汽油、天然氣或電力那樣方便地獲取氫能。氫能的制備將是潔凈的，沒有溫室氣體排放的。氫能將以安全的方式輸送。美國的商業(yè)和消費者將氫作為能源的選擇之一。美國的氫能產(chǎn)業(yè)將提供全球領先

13、的設備、產(chǎn)品和服務?！?第25頁/共80頁如何實現(xiàn)氫經(jīng)濟 從氫能制備的角度 利用碳氫燃料規(guī)模制備可望成為突破點，采用先進氣化技術為核心的混合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將對傳統(tǒng)的能源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響 隨著可再生能源制備技術的逐步成熟，以此為基礎的氫能與化石燃料制備的氫能具有成本競爭力 氫能分配的角度 高效的儲存和輸送技術將促成供能基礎設施的成本不斷下降，形成管網(wǎng)、罐車、鐵路等多重分配體系 從氫能利用的角度 燃料電池技術的日漸成熟促成了汽車工業(yè)的轉型 高溫固定式燃料電池也將在中心式及分布式供能系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用 在重型運輸機械及體積/重量要求比較苛刻的場合，氫能將通過燃燒的方式實現(xiàn)高效供能。第26頁/共8

14、0頁中國的氫推廣計劃 2003年3月27日，由全球環(huán)境基金（GEF）、聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)和中國政府共同支持的“中國燃料電池公共汽車商業(yè)化示范項目”正式啟動，這項歷時5年的工程，總投入3236萬美元。項目由GEF、UNDP、中國科技部和北京上海兩地的市政府以及企業(yè)共同投資，將首先在北京和上海進行試點示范。從而推動燃料電池公共汽車在中國產(chǎn)業(yè)化和推廣應用 在北京為2008奧運會上，20輛帕薩特領馭燃料電池轎車，和近500輛各種電動車 到2010年上海世博會期間，20輛氫燃公交車、300輛氫燃出租車、1000輛電動汽車以及一批燃料電池場地車和郵政車都將投入運行。 氫能線路圖，hydrogen

15、 roadmap第27頁/共80頁我國氫能研究和開發(fā) 過去，我國氫能領域的專家和科學工作者在國家經(jīng)費支持不多的困難條件下，在制氫、儲氫和氫能利用等方面，仍然取得了不少的進展和成績 現(xiàn)在，我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，積極推動包括氫能在內(nèi)的潔凈能源的開發(fā)和利用。近年來，在氫能領域取得了多方面的進展。第28頁/共80頁氫能利用代表之一燃料電池 燃料電池發(fā)電是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的第四類發(fā)電技術 不經(jīng)過燃料燃燒直接將電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置 特點 高效8590；實際4060 環(huán)境友好 安靜 可靠性高第29頁/共80頁燃料電池的出現(xiàn) 1839年，英國Sir William

16、R. Grove爵士發(fā)表了世界上第一篇有關燃料電池研究的報告-以Pt為電極的氫-氧燃料電池 從1960年10月質(zhì)子交換膜燃料電池首次用于雙子星座航天飛船飛行 燃料電池用于航天領域 長時間運作 重量輕 發(fā)電時不用回轉裝置，沒有噪音和磨損 產(chǎn)生純水，作為宇航員的飲用水第30頁/共80頁燃料電池分類 堿性燃料電池 Alkaline Fuel Cell, AFC 電解質(zhì)強堿（KOH） 燃料純氫 氧化劑純氧或脫除微量CO2的空氣 電池工作溫度50200 度 用于特殊場合，航天提供飲用水和動力 地面應用缺陷 以空氣代替純氧時，必須消除微量的CO2 以重整氣代替純氫時，必須消除大量的CO2第31頁/共80頁

17、KOH 陽極氧化反應 H2+2OH- 2H2O+2e- 陰極還原反應 1/2O2+H2O+2e- 2OH-第32頁/共80頁堿性燃料電池 氧電極 以Pt/C，Ag，Ag-Au，Ni等陰極催化劑制備的多孔擴散電極 氫電極 以Pt-Pd/C，Pt/C，Ni，NiB等陽極催化劑制備的多孔擴散電極 雙極板 無孔碳板，鎳板或鍍鎳甚至鍍銀/鍍金的各種金屬（如鋁，鎂，鐵等）板第33頁/共80頁磷酸型燃料電池 Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC 電解質(zhì)主要是SiC多孔隔膜儲存的磷酸 燃料純氫或重整氣 氧化劑純氧或空氣 電池工作溫度100200 度 用于區(qū)域性供電 結構簡單，性能穩(wěn)定

18、不利 腐蝕性很強 必須用貴金屬作催化劑 電解質(zhì)容易流失第34頁/共80頁H3PO4陽極氧化反應H2 2H+2e-陰極還原反應1/2O2+2H+2e- H2O第35頁/共80頁質(zhì)子交換膜燃料電池 Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC 固體聚合物燃料電池 Solid Polymer Fuel Cell，簡稱SPFC 聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC第36頁/共80頁質(zhì)子交換膜燃料電池 電解質(zhì) 質(zhì)子交換膜 燃料 純氫或重整氣 氧化劑 純氧或空氣 電池工作溫度 室溫100 度

19、 用于移動式電源，分散電站；軍/民兩用第37頁/共80頁 氫-氧質(zhì)子交換膜燃料電池 氫的陽極氧化: 2H2-4e-4H+ 氧的陰極還原: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O第38頁/共80頁直接醇類燃料電池 Direct Alcohol Fuel Cell，DAFC 直接甲醇燃料電池，Direct Methanol Fuel Cell，簡稱DMFC 電解質(zhì)質(zhì)子交換膜 電池工作溫度 室溫100 度 用于微型移動電源，Micro Fuel Cell 不利 CO中毒 甲醇滲透，電氧化活性低 CO2管理第39頁/共80頁第40頁/共80頁熔融碳酸鹽燃料電池 Molten Carbonate Fue

20、l Cell，MCFC 電解質(zhì) 熔融碳酸鹽，K2CO3,Li2CO3 燃料 凈化煤氣，天然氣，重整氣等 氧化劑 純氧或空氣 電池工作溫度 650700 度第41頁/共80頁 隔膜 偏鋁酸鋰，LiAlO2 陽極氧化反應 催化劑：Ni H2+CO32- CO2+H2O+2e- 陰極還原反應 催化劑：NiO 1/2O2+CO2+2e- CO32-第42頁/共80頁固體氧化物燃料電池 Solid Oxide Fuel Cell，SOFC 電解質(zhì) 固體氧化物 YSZ-Y2O3穩(wěn)定的ZrO2 燃料 凈化煤氣，天然氣 氧化劑 空氣 電池工作溫度 9001000 度 用于區(qū)域供電，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電第43頁/共80

21、頁n陽極氧化反應n催化劑：NinH2+O2- H2O+2e-n陰極還原反應n催化劑：貴金屬，n離子電子復合導電的鈣鈦礦型復合氧化物Sr摻雜的LaMnO3（LSM）n1/2O2+2e- O2-第44頁/共80頁歸納燃料電池種類燃料電池種類 電解電解質(zhì)質(zhì) 導電離子導電離子 操作溫度操作溫度 ( (O OC)C) 燃料燃料/氧化氣體氧化氣體 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + ( (水合水合) ) 60 60 - - 80 80 H H2 2/ /空氣空氣 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 能量密度高能量密度高. . 鉑貴金屬催化劑鉑貴金屬催化劑. . 必須

22、加濕必須加濕. CO . CO 毒化毒化. . KOHKOH OHOH- - 9090 H H2 2/ /氧氣氧氣 堿性堿性 能量密度高能量密度高. CO. CO2 2 毒化毒化. . H H3 3POPO4 4 H H+ + 200200 H H2 2/ /空氣空氣 磷酸磷酸 能量密度中等能量密度中等. . 鉑貴金屬催化劑鉑貴金屬催化劑. CO . CO 很敏感很敏感. . L Li i2 2COCO3 3/K/K2 2COCO3 3 COCO3 32 2- - 650650 H H2 2,CO/,CO/空氣空氣 熔融鹽熔融鹽 能量密度低能量密度低. . 鎳催化劑鎳催化劑. . Z Zr r

23、0.920.92Y Y0.080.08O O1.961.96 O O2 2- - 700700- -1000 (1000 (現(xiàn)有現(xiàn)有450)450) CHCH4 4, CO/, CO/空氣空氣 固體氧化物固體氧化物 中高能量密度中高能量密度 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + (H (H2 2,CH,CH3 3OH)OH) 60 60 - - 120 120 CHCH3 3OH/OH/空氣空氣 直接甲醇直接甲醇 中等能量密度中等能量密度. . 低效率低效率. . 高鉑貴金屬催化劑用量高鉑貴金屬催化劑用量. . 第45頁/共80頁微生物燃料電

24、池 微生物的生命活動產(chǎn)生的所謂“電極活性物質(zhì)”作為電池燃料，然后通過類似于燃料電池的辦法，把化學能轉換成電能，成為微生物電池 宇宙飛船中，用微生物中的芽孢桿菌來處理尿，生產(chǎn)出氨氣，以氨作電極活性物質(zhì)，就得到了微生物電池，這樣既處理了尿，又得到了電能 第46頁/共80頁第47頁/共80頁可再生燃料電池第48頁/共80頁質(zhì)子交換膜燃料電池的現(xiàn)狀和進展第49頁/共80頁質(zhì)子交換膜燃料電池的應用主要是車用和家用第50頁/共80頁Conventional FEM Fuel Cell System第51頁/共80頁Worldwide Application of PEM Fuel Cell in Our

25、Future Lif第52頁/共80頁第53頁/共80頁PEMFC組成組成核心核心MEA （membrane electrolyte assembly)膜電極裝備膜電極裝備 *（456）4.Catalyst layer 催化劑層催化劑層5.Proton Exchange Membrane(Electrolyte) 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜6.Carbon Cloth or carbon paper with diffusion layer 帶有擴散帶有擴散層的碳紙或碳布支撐、擴散層的碳紙或碳布支撐、擴散3.Bipolar 雙極板氣體通道雙極板氣體通道2. Bus Plate 集流板集流板收集電流收

26、集電流1.End Plate 端板端板固定、組裝固定、組裝第54頁/共80頁電極催化劑 催化劑陽極 貴金屬催化 類貴金屬催化劑陰極 貴金屬催化劑 類貴金屬催化劑 卟啉、酞菁類鐵、鈷等配位化合物 催化劑載體碳黑. XC-72，BP2000金屬氧化物. WOx, SnOx, AlOx, 等帶電高分子材料第55頁/共80頁 CoTETA， TETA，triethylenetetramine, 三乙烯四胺第56頁/共80頁第57頁/共80頁電極催化劑的壽命 催化劑長大 催化劑晶型發(fā)生變化 雜質(zhì)的毒化 燃料和空氣中的雜質(zhì) 雙極板及其它產(chǎn)生的雜質(zhì)第58頁/共80頁電極催化劑的用量 催化劑用量:目標: 0.

27、1 mg/cm2(物理濺射方法)目前: 0.31.0 mg/cm2(both sides total). 取決于不同的催化劑層制備技術第59頁/共80頁The paste is coated on PTFE sheetDryCatalyst and ionomer solutionare mixed by ball millThe paste is coated on gas diffusion mediaDryHot pressCatalyst layer is transferred on membrane by hot pressPasteFabricating process on m

28、embraneFabricating process on gas diffusion mediaCoating of PTFE/Carbon layer Coating of Ionomer/Carbon layer 催化劑層制備技術之一轉移涂層技術第60頁/共80頁門簾涂層油墨印刷噴濺噴霧絲網(wǎng)印刷滾筒涂層第61頁/共80頁質(zhì)子交換電解質(zhì)膜必要條件 質(zhì)子導電率 0.1S/cm 薄膜成型能力及機械強度高 價廉 在強酸和燃料電池工作條件下穩(wěn)定 低氣體滲透 低甲醇滲透(DMFC) 無污染和易回收利用第62頁/共80頁質(zhì)子交換電解質(zhì)膜現(xiàn)狀 (低溫) Nafion (DuPont) Gore (PRI

29、MEA, Reinforced) Aciplex (Asahi Chemicals) Flemion, Fiber/Cloth Reinforced (Asahi Glass) Ballard BAM Dow PSSA, PSSA-g-PVDF/HFP, Sulfonated Partially Fluorinated PolymerAll for 100 C: Lower Proton Conductivity and Poor Cell Performance Unless Pressurized and Well-Humidified (System Complication)第63頁/共80頁高溫質(zhì)子交換電解質(zhì)膜優(yōu)點: 減少CO 毒化. 加速動力學反應速度. 有利于水管理. 有利于熱管理. 缺點: 膜失去水而導致 膜電阻增加. 電極極化增加. (氧氣還原速度(ORR)與水含量有關.)第64頁/共80頁質(zhì)子交換電解質(zhì)膜現(xiàn)狀(高溫) New High-Temperature Ionomer Sulfonated/Phosphonated high-temperature polymers Liq