氫燃料電池課件

新能源——燃料電池一、前言新能源的要求高效、清潔、經(jīng)濟、安全太陽能,風(fēng)能,潮汐能氫能?化石能源的特點溫室效應(yīng)CO二的排放量逐年增加卡諾循環(huán)限制轉(zhuǎn)化效率低、能源浪費嚴重污染嚴重粉塵、CO二、NOx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(guān),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一三.七億立方千米,若把其中的氫提煉出來,約有一.四×一0一七噸,所產(chǎn)生的熱量是地球上礦物燃料的九000倍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、天然氣、太陽能、風(fēng)能、水力、潮汐能、地?zé)崮?、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氫的特點所有元素中,氫重量最輕.在標(biāo)準狀態(tài)下,它的密度為0.0八九九g/l；在-二五二.七°C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(dǎo)熱性最好,比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出一0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(gòu)成了宇宙質(zhì)量的七五％,除空氣中含有氫氣外,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九000倍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,為一四二,三五一kJ/kg,是汽油發(fā)熱值的三倍

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(dāng)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,反復(fù)循環(huán)使用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(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料用氫代替煤和石油,不需對現(xiàn)有的技術(shù)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(yīng)貯運及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求氫能有待解決的關(guān)鍵問題廉價的制氫技術(shù)

安全可靠的貯氫和輸氫方法氫易氣化、著火、爆炸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)一％,原子組成占據(jù)一五．四％.化合態(tài)氫的最常見形式是水和有機物[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,九噸水可以生產(chǎn)出一噸氫[及八噸氧],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······太陽能制氫電解水制氫水電解制氫是目前應(yīng)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七五～八五％,其工藝過程簡單,無污染,但消耗電量大,因此其應(yīng)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四．五～五．五kWh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(fēng)能及海洋能等等熱化學(xué)制氫當(dāng)水直接加熱到很高溫度時,例如三000℃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(yīng)的熱能光化學(xué)制氫光化學(xué)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(yīng)體系,在光照下由于有催化劑存在,促使水解制得氫氣.礦物燃料制氫煤制氫煤的焦化焦?fàn)t煤氣組成中含氫氣五五~六0％[體積]、甲烷二三~二七％、一氧化碳六~八％等煤的氣化所制得煤氣組成為氫三七~三九％[體積]、一氧化碳一七~一八％、二氧化碳三二％、甲烷八~一0％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

CH四+H二O→CO+H二

CO+H二O→CO二+H二

CnH二n＋二+nH二O→nCO+[二n+一]H二

用該法制得的氣體組成中,氫氣含量可達七四％[體積].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(yīng)制得含氫氣體產(chǎn)物氣體產(chǎn)物組成：氫氣四六％[體積],一氧化碳四六％,二氧化碳六％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(yīng)可制得含氫燃料氣.其氣化產(chǎn)物中氫氣約占一0％左右生物質(zhì)制氫微生物制氫技術(shù)利用微生物在常溫常壓下進行酶催化反應(yīng)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)氫其它合氫化物制氫硫化氫中制取氫氣我國有豐富的H二S資源硼氫化鈉制取氫氣車載氫源研究熱點

太陽能制氫無窮無盡太陽能熱分解水制氫熱化學(xué)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,估計可達一五億m三以上合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達一四×一0八立方米氯堿工業(yè)中有八七×一0六m三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(guān)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一00km.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.估計到二0一0年,我國鎳氫電池產(chǎn)量將突破八億只,產(chǎn)值將達到數(shù)十億元.氫氣儲存?zhèn)鹘y(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-pressureandliquefiedhydrogentank]金屬氫化物[Metalhydride]碳基吸附劑[Carbon-basedadsorbents],金屬—有機配位子結(jié)構(gòu)[Metal-OrganicFrameworks]此新穎材料乃利用金屬離子與有機配位子鍵結(jié)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氫能經(jīng)濟氫經(jīng)濟關(guān)于氫經(jīng)濟的最早文字記載大概出現(xiàn)在一八七0年儒勒·凡爾納[GuiesVerne]寫的一本科學(xué)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.”什么是氫經(jīng)濟?美國自”九.一一”事件以后,對于氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)的步伐明顯加快,在國際上處于領(lǐng)先地位.在美二00一年一一月在華盛頓召開的國家氫能前景會議上形成的文件“AnationalvisionofAmerica'stran-sitiontoahydrogeneconomy--to二0三0andbeyond”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(lǐng)先的設(shè)備、產(chǎn)品和服務(wù).”

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(shù)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(shù)的逐步成熟,以此為基礎(chǔ)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(shù)將促成供能基礎(chǔ)設(shè)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(shù)的日漸成熟促成了汽車工業(yè)的轉(zhuǎn)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.中國的氫推廣計劃二00三年三月二七日,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,這項歷時五年的工程,總投入三二三六萬美元.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(yīng)用在北京為二00八奧運會上,二0輛帕薩特領(lǐng)馭燃料電池轎車,和近五00輛各種電動車到二0一0年上海世博會期間,二0輛氫燃公交車、三00輛氫燃出租車、一000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,hydrogenroadmap我國氫能研究和開發(fā)過去,我國氫能領(lǐng)域的專家和科學(xué)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(lǐng)域取得了多方面的進展.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(shù)不經(jīng)過燃料燃燒直接將電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置特點高效八五％～九0％；實際四0～六0％環(huán)境友好安靜可靠性高燃料電池的出現(xiàn)一八三九年,英國SirWilliamR.Grove爵士發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)燃料電池研究的報告-以Pt為電極的氫-氧燃料電池從一九六0年一0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(lǐng)域長時間運作重量輕發(fā)電時不用回轉(zhuǎn)裝置,沒有噪音和磨損產(chǎn)生純水,作為宇航員的飲用水燃料電池分類堿性燃料電池AlkalineFuelCell,AFC電解質(zhì)——強堿[KOH]燃料——純氫氧化劑——純氧或脫除微量CO二的空氣電池工作溫度——五0~二00度用于特殊場合,航天提供飲用水和動力地面應(yīng)用缺陷以空氣代替純氧時,必須消除微量的CO二以重整氣代替純氫時,必須消除大量的CO二KOH陽極氧化反應(yīng)H二+二OH-二H二O+二e-陰極還原反應(yīng)一/二O二+H二O+二e-二OH-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]板磷酸型燃料電池PhosphoricAcidFuelCell,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——一00~二00度用于區(qū)域性供電結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定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H三PO四陽極氧化反應(yīng)H二二H++二e-陰極還原反應(yīng)一/二O二+二H++二e-H二O質(zhì)子交換膜燃料電池ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC固體聚合物燃料電池SolidPolymerFuelCell,簡稱SPFC聚合物電解質(zhì)膜燃料電池PolymerElectrolyteMembraneFuelCell,簡稱PEMFC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~一00度用于移動式電源,分散電站；軍/民兩用

氫-氧質(zhì)子交換膜燃料電池氫的陽極氧化:二H二-四e-→四H+氧的陰極還原:O二+四H++四e-→二H二O直接醇類燃料電池DirectAlcoholFuelCell,DAFC直接甲醇燃料電池,DirectMethanolFuelCell,簡稱DMFC電解質(zhì)——質(zhì)子交換膜電池工作溫度——

室溫~一00度用于微型移動電源,MicroFuelCell不利CO中毒甲醇滲透,電氧化活性低CO二管理熔融碳酸鹽燃料電池MoltenCarbonateFuelCell,MCFC電解質(zhì)熔融碳酸鹽,K二CO三,Li二CO三燃料凈化煤氣,天然氣,重整氣等氧化劑純氧或空氣電池工作溫度六五0~七00度隔膜偏鋁酸鋰,LiAlO二陽極氧化反應(yīng)催化劑：NiH二+CO三二-

CO二+H二O+二e-陰極還原反應(yīng)催化劑：NiO一/二O二+CO二+二e-CO三二-固體氧化物燃料電池SolidOxideFuelCell,SOFC電解質(zhì)固體氧化物YSZ-Y二O三穩(wěn)定的ZrO二燃料凈化煤氣,天然氣氧化劑空氣電池工作溫度九00~一000度用于區(qū)域供電,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電陽極氧化反應(yīng)催化劑：NiH二+O二-H二O+二e-陰極還原反應(yīng)催化劑：貴金屬,離子電子復(fù)合導(dǎo)電的鈣鈦礦型復(fù)合氧化物[Sr摻雜的LaMnO三[LSM]]一/二O二+二e-O二-歸納微生物燃料電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(xué)能轉(zhuǎn)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,又得到了電能可再生燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池

的現(xiàn)狀和進展質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用主要是車用和家用ConventionalFEMFuelCellSystemWorldwideApplicationofPEMFuelCellinOurFutureLifPEMFC組成核心——MEA[membraneelectrolyteassembly]膜電極裝備*[四＋五＋六]四.Catalystlayer催化劑層五.ProtonExchangeMembrane[Electrolyte]質(zhì)子交換膜六.CarbonClothorcarbonpaperwithdiffusionlayer帶有擴散層的碳紙或碳布－支撐、擴散三.Bipolar雙極板－氣體通道二.

BusPlate集流板—收集電流一.EndPlate端板—固定、組裝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-七二,BP二000金屬氧化物.WOx,SnOx,AlOx,等帶電高分子材料CoTETA,TETA,triethylenetetramine,三乙烯四胺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)電極催化劑的用量催化劑用量: 目標(biāo):0.一mg/cm二[物理濺射方法] 目前:0.三~一.0mg/cm二[bothsidestotal].取決于不同的催化劑層制備技術(shù)ThepasteiscoatedonPTFEsheet↓DryCatalystandionomersolutionaremixedbyballmillThepasteiscoatedongasdiffusionmedia↓Dry↓HotpressCatalystlayeristransferredonmembranebyhotpressPasteFabricatingprocessonmembraneFabricatingprocessongasdiffusionmediaCoatingofPTFE/CarbonlayerCoatingofIonomer/Carbonlayer催化劑層制備技術(shù)之一－轉(zhuǎn)移涂層技術(shù)門簾涂層油墨印刷噴濺噴霧絲網(wǎng)印刷滾筒涂層質(zhì)子交換電解質(zhì)膜必要條件質(zhì)子導(dǎo)電率>0.一S/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質(zhì)子交換電解質(zhì)膜現(xiàn)狀[低溫]Nafion[DuPont]Gore[PRIMEA,Reinforced]Aciplex[AsahiChemicals]Flemion,Fiber/ClothReinforced[AsahiGlass]BallardBAMDowPSSA,PSSA-g-PVDF/HFP,SulfonatedPartiallyFluorinatedPolymer Allfor<一00°CuseDEHYDRATION>一00°C:LowerProtonConductivityandPoorCellPerformanceUnlessPressurizedandWell-Humidified[SystemComplication]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(xué)反應(yīng)速度.有利于水管理.有利于熱管理.

缺點:膜失去水而導(dǎo)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(guān).]質(zhì)子交換電解質(zhì)膜現(xiàn)狀[高溫]NewHigh-TemperatureIonomerSulfonated/Phosphonatedh