可再生能源發(fā)電技術(shù)8-氫能與燃料電池_-精品課件

1、第八講 氫能與燃料電池可再生能源發(fā)電技術(shù)李進(jìn)平（水電學(xué)院水電站教研室）公共郵箱：kzsnysina，密碼: 123456要 點氫與氫能氫能的利用方式氫能的利用歷史氫的制取和儲存燃料電池發(fā)電（一種新型發(fā)電方式）燃料電池的應(yīng)用震驚世界的爆炸了解氫彈爆炸故事，相信你一定能感受到氫能的巨大威力如果氫的能量只被用于改善人類的生存和生活條件，那么將是人類的一大福音。 1967我國第一顆氫彈爆炸實驗成功 氫和氫能氫是宇宙中最豐富的元素，在地球上的含量排第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)存在，主要存在水中。若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000

2、倍。氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣為無色無味的氣體，密度是空氣的1/14.5。發(fā)現(xiàn)故事：氫的發(fā)現(xiàn)（卡文迪許）和命名（拉瓦錫）氫能及其利用方式氫能主要是指氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時釋放的能量。想一想：氫能是一次能源還是二次能源？利用氫能的方式很多，包括：直接作為燃料提供熱能或在熱力發(fā)動機(jī)中做功；制造燃料電池，在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)電能；利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核能；等等。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時釋放熱量140MJ/kg。氫氣燃燒性能好，點燃快，燃點高，混入4%74%的空氣時仍能穩(wěn)定燃燒。氫是最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫。氮化氫經(jīng)

3、適當(dāng)處理后也不污染環(huán)境。將來，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一。氫能及其利用方式（2）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎(chǔ)是愛因斯坦的相對論。發(fā)生質(zhì)量虧損時釋放出的能量為E = mc2。1g的氫聚變?yōu)楹?，質(zhì)量損失0.711%，能釋放多少能量？氫的核聚變能量比鈾原子核裂變釋放的能量大若干倍。且核聚變過程中沒有放射性，對環(huán)境無污染。一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問題將得到根本的解決（努力方向）。氫能及其利用方式（3）氫燃料電池氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電

4、子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。氫能及其利用方式氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，基本無污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價值。16世紀(jì)就有人在金屬與酸的反應(yīng)中得到過氫氣。1766年有論文詳細(xì)介紹了氫氣的制備方法和性質(zhì)。1938年，有人提出以氫為航空器燃料的設(shè)想。1950s，加拿大嘗試把氫作為普通內(nèi)燃機(jī)燃料，美國開始研究用液氫作為軍用飛機(jī)的飛行燃科。氫能的應(yīng)用歷史由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛的用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動機(jī)中。1960s以后，燃料電池發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個新的領(lǐng)域。以液氫為原料的燃料電池電動車，已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。氫能的應(yīng)用歷史氫能和平利用的終極夢想就是受

5、控的氫核聚變。其原料可直接取自海水中的氘。科學(xué)家預(yù)測，氫能和電能將成為未來能源體系的兩大支柱。氫的制取氫能，通常指游離的分子氫H2所具有的能量。地球上的氫元素相當(dāng)豐富，但游離態(tài)的很稀少。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。從這些物質(zhì)中獲取氫，需要消耗大量的能量。（1）煤為原料制氫煤制氫的本質(zhì)是用碳置換水中的氫，生成H2和CO2。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是C+2H2OCO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化，隔絕空氣以9001000高溫制取焦碳，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣（含5560的氫氣）。二是煤的氣化，在高溫下與水蒸汽或氧氣(空氣)等發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氫氣含量與氣化方法有關(guān)。化石燃料制氫（

6、2）天然氣制氫天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，其化學(xué)反應(yīng)為CH4 + 2H2O 4H2 +CO2這種傳統(tǒng)制氫過程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷(催化)高溫裂解制氫，制取H2的同時，還能得到碳，而不向大氣排放CO2。該法技術(shù)簡單，但是制造成本不低?；剂现茪洌?）重油部分氧化制氫重油部分氧化過程中碳?xì)浠衔锱cO2、水蒸氣反應(yīng)生成H2和CO2。要在一定的壓力下進(jìn)行，可能還需要采用催化劑。制得的氫主要來自水蒸氣?；剂现茪淠壳埃瑲錃獯蠖嗍且允?、天然氣和煤為主要原料制取的?；剂现圃鞖錃獾膫鹘y(tǒng)方法，會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境不利。氫大多存在水中，將水分解

7、制取氫氣是最直接的方式。水分解制氫（1）電解水制氫水的電解過程就是在導(dǎo)電的水溶液中通電，將水分解成H2 和O2。其反應(yīng)式為：水電解操作簡便，制得的氫氣純度高，但需消耗電能。常壓下電解制氫的能量效率一般在70%左右。為提高效率，通常在3.05.0MPa的壓力下進(jìn)行。（2）高溫水蒸氣分解制氫水直接分解需要2227以上的溫度，工程實現(xiàn)難度很大。為降低分解溫度，可采用多步驟熱化學(xué)反應(yīng)制造氫氣。其化學(xué)反應(yīng)通式為X為中間媒體，僅參與反應(yīng)，并不消耗，但是因其反應(yīng)呈氣態(tài)，很易和氧氣發(fā)生反應(yīng)而重新生成氧化物。因此，需將它們從產(chǎn)物中分離出來。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量。水分解制氫（3）等離子體制造氫氣過程用電

8、場電弧能將水加熱到5000，分解成H、H2、O、O2、OH和水。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須使氫不再和氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高。水分解制氫我國的氫氣生產(chǎn)，除了用化石燃料以外，其余的主要都通過水電解法生產(chǎn)。不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。趣聞：神秘的海面大火（發(fā)光細(xì)菌、可燃?xì)怏w、氫氧分離）（1）生物質(zhì)氣化制氫將生物質(zhì)原料壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行反應(yīng)制得含氫的混合燃料氣。其中的碳?xì)浠衔镌倥c水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成H2 和CO2（同天然氣制氫）。生物制氫（2）微生物制氫在常溫常壓下利用微生物進(jìn)行酶催化反應(yīng)制得氫氣。用于制氫的微生物有兩大類：光合細(xì)菌或藻類，在光照作

9、用下使有機(jī)酸分解出H2和CO2；厭氧菌，利用碳水化合物及蛋白質(zhì)等，發(fā)酵產(chǎn)生H2、CO2和有機(jī)酸。江河湖海中的某些藻類、細(xì)菌，有這種功能。生物制氫（1）間接制氫太陽能間接制氫法主要是太陽能發(fā)電電解水制氫。未來規(guī)?；茪渥罹哂形η易罹攥F(xiàn)實意義的途徑。太陽能制氫（2）直接制氫（兩種方法）熱分解法，用太陽能直接裂解水，得到氫和氧。須將水加熱至很高溫度，反應(yīng)才有實際應(yīng)用的可能，困難較大。光分解法，光量子可使水等含氫化合物分子中氫鍵斷裂，效率較低。氫的儲存氫能的儲存很關(guān)鍵，是目前氫能開發(fā)的主要技術(shù)障礙。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫的密度是空氣的1/14.5，氫氣很難高密度儲存。而且，氫還是易燃、易爆的高能燃料。安全性

10、最重要，不過在設(shè)計時都會充分考慮，并且在使用中多能夠滿足。單位質(zhì)量儲氫密度，即儲氫質(zhì)量與整個儲氫單元的質(zhì)量之比，是衡量氫氣儲運技術(shù)是否先進(jìn)的主要指標(biāo)。對儲氫系統(tǒng)的要求儲氫設(shè)備使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氫氣的時間、使用的環(huán)境溫度等。可以像天然氣一樣用密封罐低壓儲存，不過因氫氣密度太低，只適合大規(guī)模儲存，應(yīng)用不多。一般將氫氣壓縮到1540MPa高壓，裝入鋼瓶中儲存和運輸。氫氣的儲存新型復(fù)合高壓氫氣瓶（耐壓35MPa）儲氫密度可達(dá)2%。高壓儲氫動態(tài)響應(yīng)最好，能瞬間通斷，實際使用最廣泛。不過有安全隱患。氫氣在-252.7低溫下可以變?yōu)橐后w。液體的氫可以儲存在絕熱的低溫容器中。液氫的單位體積

11、含能量很高，比高壓氣態(tài)儲存高好幾倍。液氫的理論體積密度只有70kg/m3?？紤]容器和附件的體積，儲氫密度還遠(yuǎn)達(dá)不到這一數(shù)值。液氫儲運的最大優(yōu)點是質(zhì)量儲氫密度高，目前可做到5%以上，存在的問題是蒸發(fā)損失與成本問題。液氫的儲存大的液氫儲罐存在熱分層問題。因此，大的儲罐都備有緩慢的攪拌裝置以阻止熱分層。某些金屬具有捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，能大量“吸收”氫氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物。需要用氫時，可將這些金屬氫化物加熱，使其分解，將儲存在其中的氫釋放出來。金屬氫化物的儲氫容量較大，相同溫度、壓力，體積儲氫密度是氫氣的1000倍。由于儲存容量大、儲運安全方便等優(yōu)點，金屬氫化物儲氫可能最

12、有發(fā)展前景。固體金屬氫化物儲存（1）有機(jī)物儲氫主要是苯和甲苯，與氫反應(yīng)生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應(yīng)又可產(chǎn)氫。此方式有儲氫量大、能量密度高、儲存設(shè)備簡單等特點，而且還能多次循環(huán)利用。不過這種儲氫方式加氫時放熱量大、脫氫時能耗高，在很大程度上限制了它的應(yīng)用。研究中的儲氫新方法（2）地下壓縮儲氫是一種長期大量儲氫的主要方法。多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴(kuò)散的介質(zhì)。但地下儲存的氫氣大約有50%左右會滯留在巖洞中，難于被釋放出來。研究中的儲氫新方法（3）碳質(zhì)儲氫材料一直為人們所關(guān)注。主要是高比表面積活性炭等。特殊加工后的高比表面積活性炭，在2-4MPa和超

13、低溫下，質(zhì)量儲氫密度可達(dá)5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。燃料電池的研究已有170多年的歷史。1839年，Willian Grove實驗室里發(fā)現(xiàn)了燃料電池現(xiàn)象。1950s，燃料電池的研究得到了迅速發(fā)展。燃料電池的實際應(yīng)用開始于1960s的航天領(lǐng)域。1990s，在膜和催化劑方面所取得的突破性進(jìn)展，質(zhì)子交換膜燃料電池獲得了廣泛的研究和開發(fā)。燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的基本原理燃料電池由陽極、陰極和中間的電解質(zhì)及外接電路組成。工作時，一般向陽極供燃料(氫)，向陰極供氧化劑(氧)。不斷從外部供給燃料和氧化劑，燃料電池即可連續(xù)發(fā)

14、電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣。為加速電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池的電極上往往都有催化劑。催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質(zhì)和電極之間的接觸截面。這種多孔電極稱為氣體擴(kuò)散電極。由一個陽極、一個陰極和相關(guān)的電解質(zhì)、燃料、空氣通路組成的最小電池單元稱為單體電池；多個單體電池重疊連接形成的整體，稱為電堆。實用的燃料電池均由電堆組成。燃料電池就像積木一樣，可以根據(jù)功率要求靈活組合，容量小到為手機(jī)供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論。燃料電池的基本原理燃料電池系統(tǒng)，除燃料電池本體(發(fā)電系統(tǒng))外，還有一些外圍裝置，用于燃料重整供應(yīng)、氧氣供應(yīng)、水管理、熱管理、逆變、控制、安全等。燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成這是

15、大容量燃料電池可能具有的結(jié)構(gòu)。不同類型、容量和適用場合，有些部分可能被簡化甚至取消。例如微型燃料電池、手機(jī)和筆記本電腦的燃料電池。與干電池與蓄電池不同，燃料電池不是能量儲存裝置，而是能量轉(zhuǎn)化裝置。燃料電池具有很多獨特的優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)換效率高。污染物排放少。能量轉(zhuǎn)換主裝置無運動部件，設(shè)備可靠，噪音極小。資源廣泛，建設(shè)靈活。燃料電池發(fā)電的特點燃料電池的類型（1）堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)，以高純度氫氣為燃料，以純氧氣作為氧化劑，工作溫度為6080。在所有的應(yīng)用領(lǐng)域中，AFC燃料電池都有競爭力。其低溫快速起動特性，在很多場合更具優(yōu)勢。但是由于需要純H2和O2作為燃料和氧化劑，氣

16、化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應(yīng)用。燃料電池的類型（2）磷酸型燃料電池（PAFC）以磷酸水溶液為電解質(zhì)，以天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃料，以空氣為氧化劑，一般要用鉑金作催化劑。工作溫度200，發(fā)電效率30%多，用白金作催化劑，對燃料要求較高。對燃料氣和空氣中的CO2有耐受力，能適應(yīng)多種工作環(huán)境。世界之最：最大的燃料電池系統(tǒng)燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以碳酸鹽為電解質(zhì)；以混有CO2的O2為氧化劑；可用重整氣(含H2和CO2)為燃料。電極采用鎳。工作溫度為600700，不需要采用貴金屬作為催化劑。工作過程中放出的高溫余熱可回收，發(fā)電效率45%60%。基于上述優(yōu)點，MC

17、FC具有較好的應(yīng)用前景。不過，高溫條件下電解質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，對電池材料有嚴(yán)格要求；而且廢熱回收裝置又大又重，MCFC只適用于大功率發(fā)電廠。燃料電池的類型（4）固體氧化物型燃料電池（SOFC）常采用ZrO2+Y2O3固體電解質(zhì)，以重整氣為燃料，以空氣為氧化劑。多孔電極。工作溫度最高，約1000，運行壓力0.31.0MPa。高溫下工作，不需要采用貴金屬作為催化劑；但采用復(fù)合廢熱回收裝置，體積大，質(zhì)量重，只適用于大功率發(fā)電廠。國際上正在研發(fā)400800中低溫SOFC電解質(zhì)。燃料電池的類型（5）質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC）燃料一般為高純度的氫氣。采用以離子導(dǎo)電的固體高分子電解質(zhì)膜。最佳溫度為80。工作溫度低，需要采用貴金屬作為催化劑。發(fā)電效率約50%70%。PEMFC最大優(yōu)越性體現(xiàn)在工作溫度低。起動快、功率密度高，而且只產(chǎn)生少量廢熱和液態(tài)水，不產(chǎn)生污染大氣的氮氧化物，是汽車動力的理想電源之選。（6）直接甲醇型燃料電池（DMFC）燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域（1）發(fā)電站燃料電池電站效率高、噪聲小、污染少、占