新能源發(fā)電技術(shù)課件09氫能與燃料電池-教師版

第9講氫能與燃料電池課件制作：朱永強，張遠(yuǎn)欣配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材§9

氫能與燃料電池關(guān)注的問題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應(yīng)該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？有哪些類型？各自有什么特點？燃料電池可以在哪些場合應(yīng)用？海面為何會突然燒起大火？§9.1氫和氫能概述§9.1.1氫和氫能簡介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。1766年英國的亨利·卡文迪什發(fā)表《關(guān)于人造空氣的實驗》，詳述了用鋅、鐵、錫與稀酸反應(yīng)制備氫氣的方法和氫氣的性質(zhì)，成為公認(rèn)的發(fā)現(xiàn)氫的人。1777年，法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫通過實驗證明水是由氫和氧組成的，把氫稱為“水素”；1785年拉瓦錫根據(jù)這種氣體能夠與氧氣反應(yīng)生成水的性質(zhì)，為其取名為“Hydrogen”，其中Hydro為水，gen即產(chǎn)生。氫是宇宙中最豐富的元素(約占總質(zhì)量的3/4)，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，雖然甲烷、氨和各種烴類中有氫，但主要存在水中。地球上的水約有14億km3，水中約含11%的氫。若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億(1.5×1017)噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍。§9.1.1氫和氫能簡介§9.1.2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。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)動機中做功；－制造燃料電池，在催化劑作用下進行化學(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。在所有的氣體中，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10倍以上，是能源工業(yè)中極好的傳熱載體。此外，還能轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時釋放熱量>140MJ/kg，超過任何有機燃料，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。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，而沒有其它任何污染環(huán)境的排放物。氮化氫經(jīng)適當(dāng)處理后也不污染環(huán)境，生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。到21世紀(jì)中葉，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一?！?.1.2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。4個氫原子聚變成一個氦原子，質(zhì)量會減少0.711%。那么，1克氫聚變?yōu)楹め尫诺哪芰繛?.39×108kJ，相當(dāng)于23噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的熱量?？梢姡瑲涞暮司圩兡芰渴鞘志薮蟮?。核聚變產(chǎn)生的能量比鈾原子核裂變釋放出來的能量大若干倍。而且，氫的核聚變過程中沒有放射性，對環(huán)境沒有任何污染。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?！?.1.2氫能及其利用方式（3）氫燃料電池參見后面燃料電池的內(nèi)容。除了作燃料以外，長期以來，氫一直是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)的重要原料。氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，同時對環(huán)境友好，基本上沒有環(huán)境污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價值。§9.1.2氫能及其利用方式20世紀(jì)初，比空氣輕很多的氫氣被用于充裝飛行物。由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動機中。§9.1.3氫能的應(yīng)用20世紀(jì)60年代以后，氫－氧燃料電池發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個新的領(lǐng)域。近年來，美國、歐洲、日本研制成功的以液氫為原料的燃料電池電動汽車，已進入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。如今，氫能在化工、化肥、塑料和冶金行業(yè)中，也作為一種重要的原料而獲得廣泛應(yīng)用。§9.1.3氫能的應(yīng)用氫冶金項目氫燃料電池電動汽車§9.2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。大氣中的H2只有兩百萬分之一的水平。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。全世界每年生產(chǎn)的氫氣超過5萬億立方米。（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+2H2O→CO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化(高溫干餾)，隔絕空氣以900~1000℃高溫制取焦碳，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。每噸煤可制得煤氣300~350m3，也是制取氫氣的原料。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)。煤的氣化制氫是一種具有中國特色的制氫方法。通常做法是將煤放到專門的設(shè)備中進行反應(yīng)，也可以在地下進行?！?.2.1化石燃料制氫（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)化制氫方法曾經(jīng)比較普遍，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。每轉(zhuǎn)化1噸甲烷，要向大氣中排放2.75噸二氧化碳。甲烷(催化)高溫裂解制氫技術(shù)，起于20世紀(jì)中葉，制取高純H2的同時，還能得到更有經(jīng)濟價值、易儲存的固體碳，而不向大氣排放CO2。該方法制得的氫完全來自于甲烷本身所含的氫元素，技術(shù)較簡單，但是制造成本仍然不低?！?.2.1化石燃料制氫（3）重油部分氧化制氫重油是煉油過程中的殘余物，部分氧化過程中碳?xì)浠衔锱c氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。要在一定的壓力下進行，對于某些原料及過程可能還需要采用催化劑。催化部分氧化通常以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分氧化則以重油為原料，溫度1150～1315℃。重油部分氧化制得的氫主要來自水蒸氣。§9.2.1化石燃料制氫化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境不利。氫氣中的90%是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的。在我國由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高。§9.2.1化石燃料制氫氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式。§9.2.2水分解制氫趣聞：神秘的海面大火1977.11.9，印度馬得里斯海灣附近海域，颶風(fēng)驟起，激起滔天巨浪。忽然海面上燃起火來，形成了一片通天火海，照亮周圍幾十里，那場面是相當(dāng)壯觀。人們無不驚詫：周圍并未見油船經(jīng)過，那大火是怎么著起來的，又怎么能在海面持續(xù)20多天？科學(xué)家分析，應(yīng)是200km/h的颶風(fēng)與海面劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生的巨大能量，把水中的氫和氧分離，在摩擦發(fā)熱和電荷作用下，易燃的氫氣在助燃的氧氣中劇烈地燃燒起來。據(jù)推算，這場大火的能量相當(dāng)200顆氫彈爆炸釋放的能量。1993.8.25晚，渤海深處的大欽島西北海域，也出現(xiàn)過類似“?；稹爆F(xiàn)象，持續(xù)了大約40分鐘。（1）電解水制氫水的電解過程就是在導(dǎo)電的水溶液中通入直流電，將水分解成H2

和O2。水的理論分解電壓為1.23V，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。理想狀態(tài)，制取1kg氫大約消耗33度電。實際耗電量要大些。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3.0~5.0MPa的壓力下進行。效率達到75~85%時，生產(chǎn)1m3氫氣的耗電量為4~5度?！?.2.2水分解制氫（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，使反應(yīng)溫度降低到1000℃以下。利用化學(xué)試劑在一組熱循環(huán)反應(yīng)中互為反應(yīng)物和產(chǎn)物，循環(huán)使用，最終只有水分解為氫和氧。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。一般采用快速冷卻法，使其冷卻成固體。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量。§9.2.2水分解制氫（3）等離子體制造氫氣過程用電場電弧能將水加熱到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH和水，其中H、H2的含量可達到50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須進行淬火，使氫不再和氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高?！?.2.2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)。水電解制造氫氣不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。主要適合水電、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能以及核能比較豐富的地區(qū)。（1）生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)原料壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進行反應(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)生催化重整反應(yīng)，生成H2

和CO2（參見天然氣制氫）。生物質(zhì)超臨界水氣化是正在研究的一種制氫新技術(shù)。生物質(zhì)在超臨界水中進行催化氣化，氣化率可達100%，氣體產(chǎn)物中氫的體積含量可達50%，反應(yīng)不生成焦油、木炭等副產(chǎn)品，無二次污染，因此有很好的發(fā)展前景。生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物制氫等不同的技術(shù)手段。§9.2.3生物制氫（2）微生物制氫是在常溫常壓下利用微生物進行酶催化反應(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，

在光照作用下使有機酸分解出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和有機酸。江河湖海中的某些藻類、細(xì)菌，像一個生物反應(yīng)器，用水做原料，在太陽光的照射下連續(xù)地釋放出氫氣?！?.2.3生物制氫（1）間接制氫太陽能間接制氫法主要包括太陽能發(fā)電和電解水制氫。目前已無技術(shù)困難，需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。太陽能制氫是未來規(guī)?；茪浞椒ㄖ凶罹哂形η易罹攥F(xiàn)實意義的一條途徑?！?.2.4太陽能制氫（2）直接制氫太陽能直接制氫法有兩類：熱分解法，用太陽能的高熱量直接裂解水，得到氫和氧。不過須將水加熱至3000℃以上，反應(yīng)才有實際應(yīng)用的可能，困難較大。光分解法，光量子可使水和其他含氫化合物分子中氫鍵斷裂，制氫途徑主要有光催化法和光電解法等。－光催化過程是指含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下催化劑促使水分解制得氫氣，效率很低，一般不超過10%。－光電解制氫，利用半導(dǎo)體電極制成太陽能光電化學(xué)電池，以水為原料，在太陽光照下制造氫氣。§9.2.4太陽能制氫§9.2.5制氫方式總結(jié)以石油、天然氣和煤為主要原料制取氫氣的比例約為90%。在我國，由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高，其余主要是通過水電解產(chǎn)生的?！?.3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，水的萬分之一。在-252.7℃的低溫下可變?yōu)橐后w，密度也只有70kg/m3，相當(dāng)于水的1/15。氫氣很難高密度儲存。

而且，氫還是易燃、易爆的高能燃料。安全性當(dāng)然是第一重要的要求，不過因為儲氫系統(tǒng)在設(shè)計時都會充分考慮安全性，并且在使用中能夠滿足安全要求，人們反而不經(jīng)常單獨提出了。單位質(zhì)量儲氫密度，即儲氫質(zhì)量與整個儲氫單元（含容器、存儲介質(zhì)材料、閥及氫氣等）的質(zhì)量之比，是衡量氫氣儲運技術(shù)是否先進的主要指標(biāo)。例如，一個100kg的鋼瓶（含閥及內(nèi)部氫氣質(zhì)量）儲有1kg的氫氣，單位質(zhì)量儲氫密度為1%。§9.3.1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?？梢韵裉烊粴庖粯佑镁薮蟮乃芊鈨薜蛪簝Υ?，不過因氫氣密度太低，只適合大規(guī)模儲存氣體時使用，應(yīng)用不多。氣態(tài)高壓儲氫是最普通和最直接的儲氫方式，一般將氫氣壓縮到15~40MPa高壓，裝入鋼瓶中儲存和運輸。目前，我國常用40升鋼瓶以15MPa高壓儲存氫氣。只能儲存6m3標(biāo)準(zhǔn)氫氣，重約1斤，還不到高壓鋼瓶重量的1%?！?.3.2氫氣的儲存新型復(fù)合高壓氫氣瓶(耐壓35MPa)儲氫密度可達2%。內(nèi)胎為鋁合金，外繞浸樹脂的高強度炭纖維。目前75MPa高壓儲氫瓶已上市，儲氫密度可達3%以上。正研制100MPa的。我國現(xiàn)在可以自行制造35MPa的高壓儲氫容器。高壓儲氫動態(tài)響應(yīng)最好，能瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料供應(yīng)；也能瞬間關(guān)閉閥門，停止供氣。實際使用最廣泛。

不過高壓帶來安全隱患。氫氣在-252.7℃低溫下可以變?yōu)橐后w，體積大大縮小。液體的氫可以儲存在絕熱的低溫容器中。液氫的單位體積含能量很高，常壓下密度為氫氣的845倍，體積能量密度比高壓氣態(tài)儲存高好幾倍。氫的沸點很低，氣化潛熱小，容器內(nèi)外存在巨大溫差，稍有熱量從外界滲入容器，就可能迅速沸騰氣化。液氫的理論體積密度只有70kg/m3，約為水的1/15?？紤]容器和附件的體積，液氫系統(tǒng)的儲氫密度還不到40kg/m3。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，存在的問題是液氫蒸發(fā)損失與成本問題?！?.3.3液氫的儲存大的液氫儲罐存在熱分層問題。儲罐底部液體因承受壓力而沸點略高，上部由于少量揮發(fā)而始終保持極低溫度。靜置后，液體形成下熱上冷的兩層，顯然是不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動就會翻動。如果略熱而蒸氣壓較高的底層翻到上部，就會發(fā)生液氫爆沸，產(chǎn)生氫氣，體積膨脹，使儲罐爆破。因此，大的儲罐都備有緩慢的攪拌裝置以阻止熱分層?！?.3.3液氫的儲存液氫儲罐的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，一般如圖，最理想的形狀是球形?！?.3.3液氫的儲存某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，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，氫就以固體形式存儲起來。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。能“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金或氫化金屬。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有鋰（Li）、鎂（Mg）和鈦（Ti）合金。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，與液氫相當(dāng)，不過質(zhì)量儲氫密度低。金屬氫化物的安全性很好，遇槍擊也不爆炸。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有發(fā)展前景?！?.3.4固體金屬氫化物儲存（1）有機物儲氫已成為一項有發(fā)展前景的儲氫技術(shù)。有機液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯，與氫反應(yīng)生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷（理論貯氫量為7.19%和6.18%)，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應(yīng)又可產(chǎn)氫以供使用。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，壽命長達20年。不過這種儲氫方式加氫時放熱量大、脫氫時能耗高，脫放氫時的溫度在1000℃左右，在很大程度上限制了它的應(yīng)用。§9.3.5研究中的新儲氫方法（2）地下壓縮儲氫是一種長期大量儲氫的主要方法。儲氫規(guī)?？蛇_百萬立方米以上。多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴散的介質(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。德國、法國、英國都有相關(guān)的儲氫實踐?！?.3.5研究中的新儲氫方法（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和超低溫下，質(zhì)量儲氫密度可達5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)成為目前人們研究最多的碳質(zhì)儲氫材料，具有儲氫量大、釋氫速度快、常溫下釋氫等優(yōu)點，但工業(yè)化應(yīng)用還不成熟。此外，配位氫化物儲氫和水合物儲氫近年來也得到廣泛研究。§9.4燃料電池概述發(fā)現(xiàn)故事：1938年，德國的斯孔貝恩教授發(fā)現(xiàn)，在電解液里的氫氣和氧氣中分別插入一根鉑電極，兩個電極之間會產(chǎn)生電壓，這就是最早發(fā)現(xiàn)的燃料電池原理。1839年，英國的格羅夫在實驗室驗證燃料電池現(xiàn)象。將鉑金電極放入試管，在不同的試管里分別充滿氫氣和氧氣，再把多個這樣的裝置串聯(lián)起來將試管的開口浸入稀硫酸溶液，在兩端的電極之間形成了較高的電壓。1842年格羅夫制成第一個真正意義上的燃料電池系統(tǒng)。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。不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔?。和化學(xué)電池不同，它工作時需要連續(xù)地從外部供給反應(yīng)物。燃料電池利用的水電解的逆反應(yīng)，即氫元素和氧元素合成水并輸出電能?！?.4.1燃料電池的基本原理燃料電池由陽極、陰極和夾在中間的電解質(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)。氫在陽極分解成氫離子H+和電子e-。氫離子進入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極。陰極的氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達陰極的電子形成水。電子在外部電路從陽極向陰極移動的過程中形成電流，接在外部電路中的用電負(fù)載即可因此獲得電能。當(dāng)源源不斷地從外部供給燃料和氧化劑時，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣。§9.4.1燃料電池的基本原理§9.4.1燃料電池的基本原理氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下陽極： 陰極：

總反應(yīng)： 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。這種包含催化劑的多孔電極稱為氣體擴散電極，是燃料電池的關(guān)鍵部位。對于液態(tài)電解質(zhì)，需要有電解質(zhì)保持材料，即電解質(zhì)膜。作用是分隔氧化劑和還原劑，并同時傳導(dǎo)離子。固態(tài)電解質(zhì)直接以電解質(zhì)膜的形式出現(xiàn)。外電路包括集電器（極板）和負(fù)載。雙極板具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體的作用。§9.4.1燃料電池的基本原理由一個陽極、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，容量小到為手機供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論?！?.4.1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?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（1）燃料重整供應(yīng)系統(tǒng)，將外部供給的燃料轉(zhuǎn)化為以氫為主要成分的燃料。直接以氫為燃料，供應(yīng)系統(tǒng)比較簡單。（2）氧氣供給系統(tǒng)，作用是提供反應(yīng)所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣。§9.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（3）水管理系統(tǒng)，可將陰極生成的水及時帶走，以免造成燃料電池失效。對于質(zhì)子交換膜燃料電池，質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進行傳導(dǎo)的，需要有水參與，而且水少了還會影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，進而影響電池的性能。（4）熱管理系統(tǒng)，作用是將電池產(chǎn)生的熱量帶走，避免因溫度過高而燒壞電解質(zhì)膜。外電路接通時，燃料電池會因內(nèi)電阻上的功耗而發(fā)熱（與輸出的發(fā)電量大體相當(dāng)）。（5）直流－交流逆變系統(tǒng)（6）控制系統(tǒng)，控制燃料電池發(fā)電裝置啟動和停止、接通或斷開負(fù)載，往往還能實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)工況、傳輸數(shù)據(jù)。（7）安全系統(tǒng)，主要由氫氣探測器、數(shù)據(jù)處理器以及滅火設(shè)備構(gòu)成，實現(xiàn)防火、防爆等安全措施。上面所說的各個部分，是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。例如微型燃料電池就沒有獨立的控制和安全系統(tǒng)。手機和筆記本電腦的燃料電池，就不需要逆變裝置?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成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?！枰粩喙?yīng)燃料和氧化劑，才能維持連續(xù)輸出，

供應(yīng)中斷，發(fā)電過程就結(jié)束?！梢赃B續(xù)地對自身供給燃料并不斷排出生成物，

只要供應(yīng)不斷，就可連續(xù)輸出電力。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?！?.4.3燃料電池發(fā)電的特點(1)成本因素高成本是制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。燃料電池成本中占比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。其中主要涉及三個關(guān)鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板?！?.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(2)燃料來源傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學(xué)制氫和太陽光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應(yīng)用。從成本角度來看，在燃料電池推廣初期，應(yīng)以分散式制氫為主，可進一步控制成本，且使用便利。但隨著未來燃料電池規(guī)?；l(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢將會進一步突出。(3)配套設(shè)施燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設(shè)施的缺失，即加氫站的覆蓋率過小，而其高昂的建設(shè)成本也使得加氫站的建設(shè)只能作為試驗性經(jīng)營，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣的要求?！?.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(4)儲存與運輸當(dāng)前氫氣主要以三種形態(tài)儲存和運輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內(nèi)，高壓罐儲氫仍是主要氫氣儲存運輸手段。但從長期來看，更需要具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長壽命和低成本的儲氫材料。因此，輕質(zhì)儲氫材料、有機液態(tài)儲氫材料等低壓或常壓儲氫材料將成為未來發(fā)展的重點?！?.5燃料電池的分類

電池類型堿性(AFC)磷酸型(PAFC)熔融碳酸鹽型(MCFC)固體電解質(zhì)型(SOFC)固體高分子型(PEFC/PEMFC)直接甲醇型(DMFC)工作溫度/℃60～80約100600～700800～1000約100約100電解質(zhì)KOH磷酸溶液熔融碳酸鹽固體氧化物全氟磺酸膜全氟磺酸膜反應(yīng)離子OH-H+O2-H+H+可用燃料純氫天然氣、甲醇天然氣、甲醇、煤天然氣、甲醇、煤氫、天然氣、甲醇甲醇適用領(lǐng)域移動電源分散電源分散電源分散電源移動電源、分散電源移動電源污染性—CO中毒無無CO中毒CO中毒§9.5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60~80℃。AFC是燃料電池中發(fā)展最早的一種。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，氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應(yīng)用?！?.5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%~40%，用昂貴的白金作催化劑，燃料中CO易引起催化劑中毒，因此對燃料要求較高。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。1967年美國首先開發(fā)出PAFC。1970s中期，開始取代堿性燃料電池，成為燃料電池的主要形式之一。§9.5燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉等碳酸鹽為電解質(zhì)；以混有CO2的O2為氧化劑；可用天然氣、甲醇、煤等原料的重整氣(含H2和CO2)為燃料。電極采用鎳。陽極生成CO2而陰極消耗，電池中需要CO2

的循環(huán)系統(tǒng)。工作溫度為600～700℃，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，MCFC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，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。多年來，一直是世界各國燃料電池研究的重點。美國FuelCellEnergy公司的DFC3000（2.8MW）熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)電模塊已經(jīng)用于韓國京畿道綠色能源公園中。§9.5燃料電池的類型（4）固體氧化物型燃料電池（SOFC）常采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基(ZrO2+Y2O3)固體電解質(zhì)，以重整氣(H2和CO)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0.3~1.0MPa。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)500~800℃中溫和400~600℃低溫SOFC電解質(zhì)。日本1MW熔融碳酸鹽型燃料電池結(jié)構(gòu)圖§9.5燃料電池的類型（5）質(zhì)子交換膜型燃料電池（PEMFC）也叫固體高分子型或聚合物電解質(zhì)燃料電池。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。是一種陽離子交換膜，導(dǎo)電體為H+。構(gòu)造以氟的樹脂為主鏈、以能夠負(fù)載質(zhì)子(H+)的磺酸基為支鏈。最佳溫度為80℃，室溫下也能正常工作。工作溫度低，需要采用貴金屬作為催化劑。理論發(fā)電效率83%，實際約50%~70%。每遷移一個H+離子，需同時遷移4~6個H2O。為提高電