第6章+氢能及燃料电池利用技术课件

1、第6章 氢能及燃料电池利用技术1氢能与氢能经济安徽理工大学化学工程学院化工系2燃料电池3氢能与燃料电池利用氢是一种能源的载体,氢的原子序数为1,位于元素周期表之首,在常温常压下为气态,在超低温高压下又可成为液态。氢能概念氢能指目前和可以预见的将来，人类社会可以通过某种途径获得的，并可以采用工业规模加以利用的储藏在氢中的能量。氢与氢能的特点所有元素中,氢质量最轻。在标准状态下,密度为0.0899g/L, 在-252.7时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可以变为金属氢。所有气体中,氢气的导热性最好。比大多数气体的热导率高出10倍，所以在能源工业中氢是极好的传热载体。第6章 氢能及燃

2、料电池利用技术6.1 氢和氢能氢燃烧性能好,点燃快。与空气混合时有广泛的可燃范围,且燃点高,燃烧速度快。氢是自然界存在最普遍的元素。它构成了宇宙质量的75%。除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态储存于水中,而水是地球上最广泛的物质。(据推算，若把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍)。除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料,化工燃料和生物燃料中最高的。热值为142351KJ/kg，是汽油发热值的3倍.第6章 氢能及燃料电池利用技术氢本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。除生成水和少量氮化氢外不会产生如CO、CO2，碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等

3、对环境有害的污染物质。少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境,而燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。氢能利用形式多。既可以通过燃烧产生热能,在热力发电机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用做结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造,现在的内燃机稍加改装即可使用。能适应储运及各种应用环境的不同要求。目前液氢已广泛用做航天动力的燃料。第6章 氢能及燃料电池利用技术为什么要关注氢与氢能？现代工业生产和人们生活越来越依赖石油而石油储量有限,从能源战略发展来看,寻找一种新型能源来替代石油，已迫在眉睫。化石原料排放大量的温室气体CO2导致全球变暖,冰川融化

4、加速,海平面上升；影响降雨分布,从而改变地球生态。100多万个物种将在半个世纪以后从地球上消失。所以它是拯救生态环境的需要。它是可持续发展的需要和能源安全的需要。由于氢具备电能和热能所没有的可储存性,使氢成为最好的可再生能源的二次载体。氢可以将不稳定的可再生能源储存起来,便于持续稳定的使用。氢能的利用主要是直接燃烧,燃料电池和核聚变。氢能是理想的“绿色、含能体”的二次能源。第6章 氢能及燃料电池利用技术二次能源分为二种即过程性能源和含能体能源。过程性能源尚不能大量直接储存,机动性强的现代化交通运输工具无法直接使用从发电厂输出来的电能,只能使用含能体能源(柴油,汽油)。过程性能源和含能体能源是不

5、能相互替代的,各有自己的应用范围。电能可从各种一次能源中生产出来(如煤炭,石油,天然气,太阳能,风能,水能,潮汐能,地热能,核燃料等均可直接生产电能.);而柴油,汽油等则不然,生产它们几乎完全依靠化石燃料。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。随着石化燃料消耗加快,化石燃料的储量限制,终有一天化石燃料将要枯竭,所以需要一种不依赖化石燃料,储量丰富的新的含能体能源。而氢能正是一种不依赖化石燃料的,储量丰富的新的含能体能源。第6章 氢能及燃料电池利用技术当前世界经济是以化石燃料为能源来推动的“化石能源经济”,而氢能经济是以氢为能源来推动的经济。发展氢能经济是人类摆脱对化石能源的依赖,保障能源

6、安全的永久性战略选择。氢的确是一种理想的燃料,在纯氧中燃烧或通过燃料电池发电只生成水,而不排放其他污染物。氢能经济的前提是具有廉价的制氢技术和安全可靠的储氢和输氢方法。因为氢是一种二次能源并非一次能源,不像煤,石油,天然气等可以直接从地下开采,地球上自然条件下不存在游离态的氢,制氢需要消耗大量的能量。氢能系统要满足清洁和可持续要求,生产氢所用的一次能源本身就必须是清洁和可持续的。否则,与现有的能源系统相比,氢能系统将丧失其最大的优势。第6章 氢能及燃料电池利用技术6.2 氢能经济清洁和可持续氢能系统中氢的生产方式太阳能,风能和水能发电电解水；生物质气化分解(全生命周期内碳循环是闭合的);光化学

7、、热化学或生物化学方法分解水等。化石燃料分解和化石燃料发电电解水的方案制氢则不在此列(因为这样实际是将污染排放从制氢环节转移到了电能的生产环节.)第6章 氢能及燃料电池利用技术氢能开发利用中存在的问题：必须解决氢源问题；大量廉价氢的生产是实现氢能利用的根本。一般说来,生产氢要消耗大量的能量;因为氢是一种高密度能源。必须一种低能耗,高效率制氢方法;因为氢易气化,着火爆炸,且目前制氢效率很低。必须解决氢能的储存和运输问题;因为它是开发氢能的关键,安全,高效,高密度,低成本的储氢技术,是将氢能利用推向实用化,规模化的关键。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料

8、电池利用技术制氢技术制氢的方法(手段)中化石能源制氢煤制氢；天然气水蒸气重整制氢；天然气部分氧化重整制氢；天然气催化热裂解制氢；液体化石能源制氢；甲醇重整；轻质油制氢；重油部分氧化制氢。第6章 氢能及燃料电池利用技术化石能源制氢的局限：在自然界中,氢已和氧结合成水,必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电分解水制氢,显然是不经济的、非环保的。第6章 氢能及燃料电池利用技术制氢技术：化石能源制氢，水制氢，水电解制氢，热化学制氢，高温热解水制氢；生物质制氢，微生物转化制氢，生物质热解转化技术，太阳能分解水制氢。第6章 氢能及燃料电池利用技术

9、高效制氢手段有太阳能分解水制氢,主要有:太阳能热分解水制氢，太阳能发电电解水制氢，阳光催化光解水制氢，太阳能生物制氢。优点：能把无穷无尽的,分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源,太阳能制氢具有重大的现实意义。存在问题：在实际应用中有许多理论问题和工程技术问题需要解决。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术储氢技术：它包括储氢材料,活性炭储氢,纳米碳储氢,纳米碳电化学储氢。储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上

10、。我国的储氢合金材料已小批量生产,但储氢质量比较低,价格高阻碍了其大规模应用。镁系合金有很高的储氢密度,但放氢温度高,吸放氢速度慢,因此,研究镁系合金在储氢过程中的关键问题,可能是解决氢能规模储运的重要途径。有资料显示纳米碳在储氢方面已表现出优异的性能,应积极探索纳米碳作为规模储氢材料的可能性。第6章 氢能及燃料电池利用技术制氢方案推广障碍电解水技术的效率和成本不够理想。如果采用当前的电解技术,只有在发电成本为零的情况下才能使氢气达到能够与天然气竞争的水平。太阳能发电电解水方案,主要障碍是光伏发电的成本太高（0.1美元/kwh）氢气的生产成本是天然气当前市场价格4倍多。其次是太阳能发电还要受到

11、地域的限制。风力发电比光伏发电经济，其成本为0.070.09美元/kwh；但风能发电受地域的限制比太阳能发电更加明显。第6章 氢能及燃料电池利用技术水能发电的成本可以降到很低。但水能发电同样受到地域的限制；而且水电本身就是一种成本很低的可再生能源（0.025美元/kwh）。生物质气化分解和光化学、热化学或生物化学方法分解水的方案，目前相关技术未成熟，有待进一步的研究。无论在本地电解水制氢,然后输氢到终端用户,还是输电至终端用户,再电解水制氢,都涉及能量(氢或电)长距离输送的成本和损失问题。第6章 氢能及燃料电池利用技术氢终端利用分类a.按使用设备来分,氢的终端利用方式：固定式：如分布式能源发电

12、技术移动式：如燃料电池汽车b.从技术转化来分：氢的终端利用方式：直接燃烧：产物为水、氮氧化物或水燃料电池发电：产物只有水,能量转化效率高(在转化过程不受卡诺循环限制)。第6章 氢能及燃料电池利用技术燃料电池是世界研究的热点：是氢能经济的直接推动力之一，但也存在若干问题。燃料电池技术 目前质子交换膜燃料电池是最具发展前景的燃料电池。它具有可室温快速启动,无电解液流失,易排水,寿命长,比功率与比能量高等优点,特别适合作可移动动力源,也可以建成分布式电站和家庭动力源。要实现质子交换膜燃料电池的商业化,必须大幅度降低其成本。质子交换膜燃料电池成本降低途径：一是依靠技术进步,尤其是膜的技术和膜所用材料的

13、替代与回收技术；二是依靠生产规模的扩大,降低损耗。第6章 氢能及燃料电池利用技术氢基础设施 离开了包括氢的储存、运输和加注等环节在内的氢基础设施，燃料电池技术的推广和氢能经济的实现都只能是空中楼阁。一是如何解决氢的独特物理性质给氢基础设施建设带来的一系列技术问题；二是如何根据燃料电池技术的发展阶段来确定适当的氢基础设施规模,以最终以氢基础设施代替现有的整个能源输配系统而实现氢能经济,这都需要资金和人力的巨大投入。第6章 氢能及燃料电池利用技术氢安全性 氢的独特物理性质决定了其不同于其他燃料的安全性,如更宽的着火范围,更低的着火能,更容易泄漏,更高的火焰传播速度,更容易爆炸等。要正确地评价并解决

14、这些问题,要让人们从心理上接受这种新的燃料,需要进行大量的工作,并制定出相关的全套规范。未来能源系统中能量载体的选择氢能经济应该是指将氢气在技术上作为“电池”使用,为独立的间歇能源(太阳能或风能)提供平稳的连续性,或者在电网设施中延长能量供应周期,至于未来能源系统中能量载体的正确选择,有待于各方面技术的发展和评价指标的完善。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术燃料电池原理：燃料电池是一种电化学能转换装置。可以将氢和氧转换成电和热。燃料电池优点：发电效率高,排热量小,环保效果好。特点：能量变换效率高,对环境的负面

15、影响几乎为零；由于体积较小,因此可以在任何时候地方方便地使用；由于能使用多种燃料电池发电,可以代替火力发电。燃料电池类型：燃料电池一般根据它们所采用的电解质的种类来分类。在大多数燃料电池之间主要的差别是电解液的类型。电解液类型包括磷酸型，熔融碳酸盐，固体氧化物，质子交换膜等。燃料电池组成：阳极和阴极，两个电极被电解质分开。电解质决定了在燃料电池中发生的化学反应、催化剂的种类、运行温度和其他因素等。燃料电池的种类和特性如下表：第6章 氢能及燃料电池利用技术6.3 燃料电池第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术燃料电池的种类和特性项目磷酸型质子交换膜型熔融碳酸盐型固体氧化物型

16、原料城市天然气,液化石油气（LPG）等城市天然气，液化石油气（LPG）等城市天然气，液化石油气（LPG），碳等城市天然气，液化石油气（LPG）等做功气体氢气氢气氢气和一氧化碳氢气和一氧化碳电解液磷酸质子交换膜熔融碳酸固体氧化物做功温度/约200常温至90约650约1000发电功率约1000KW约50KW1万至10万KW1万至10万KW发电效率（LHV）35%42%35%40%45%60%45%65%开发状况可实际应用可实际应用研究阶段研究阶段用途和阶段业务用，工业用,推广普及阶段家庭用，小型业务用，自动车用，携带用，推广阶段工业用，分散电源用，实证阶段（开发1MW电站）工业用，分散电源用，试验

17、研究阶段（开发数MW电站）第6章 氢能及燃料电池利用技术特点：电池运行温度相对较低,常温至约90；有着较强的功率密度,可迅速变化满足用电负荷的变化,适合于需要快速启动的场合。质子交换膜是一种薄塑料片,可以允许氢离子通过。薄膜两侧都包有高度分散的活性催化剂(金属合金粒子,大多数为铂)。第6章 氢能及燃料电池利用技术质子交换膜燃料电池（又称聚合体电解膜燃料电池）PEMFC优点：具有可室温快速启动,无电解液流失,易排水,寿命长,比功率与比能量高,重量轻,体积小等优点,特别适合作可移动动力源,也可建成分布式电站和家庭动力源。缺点：质子交换膜燃料电池成本太高,不利于商业化。用途：家庭用,小型业务用,自动

18、车用,运输应用等。第6章 氢能及燃料电池利用技术质子交换膜燃料电池采用固体聚合物作为电解液,采用包含铂催化剂的多孔碳电极。它只需要来自空气的氧和氢以及水,不需要像其它一些燃料电池所要求的腐蚀性的流体。该电池运行温度相对较低,约80,该电池能快速启动,且系统部件磨损较少,寿命较长。反应催化剂为重金属催化剂,以分隔氢电子和质子,使系统费用增加,其中铂催化剂对CO敏感,若使用铂催化剂,在反应器前加一个净化装置,除去CO,目前人们正研究对CO具有抑制力的铂/铑催化剂。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术特点：该燃料电池运行在200，在较低的热值基础上,燃料和发电效率比可以达到4

19、0%45%。磷酸燃料电池采用液体磷酸作为电解液,酸被装在密封的聚四氟乙烯碳化硅模型中,多孔碳电极包括铂催化剂。磷酸型燃料电池也非常昂贵(主要用到昂贵的铂催化剂)。典型的磷酸型燃料电池运行要花费每瓦40004500。第6章 氢能及燃料电池利用技术磷酸型燃料电池（PAFCs）它被认为是“第一代”现代燃料电池技术在同重量和体积条件下,磷酸型燃料电池比其它燃料电池功率小,在同功率条件下,磷酸型燃料电池体积大而重。它是最成熟的燃料电池类型,并且被首先商业化,目前有200多家正在使用。主要用于静态发电,也曾用于驱动较大的交通运输工具，PAFCs对于化石燃料的耐受力更强,效率更高。当热电联产时,可以达到85

20、%的效率,而在只发电时效率较低,37%42%,比燃烧的电厂效率稍高(火电厂效率33%35%)。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术特点:熔融碳酸盐技术可以达到燃料与发电比为50%60%LHV。 MCFCs运行温度可以达到约650,可以使在联合循环应用时总系统热效率达到85%LHV。 MCFCs运行依赖氢,一氧化碳,天然气,丙烷,垃圾填埋气,柴油和煤气化产品。 MCFCs是一种高温燃料电池,采用电解液,由熔融碳酸盐混合物悬浮在多孔的,化学上惰性的陶瓷的二氧化铝锂电池铸模中。第6章 氢能及燃料电池利用技术熔融碳酸盐燃料电池（MCFCs）非重金属可以被用来作为阳极和阴极的催化

21、剂,减少费用(因为它运行在特别高的温度650及以上。)目前一般被开发用于天然气和燃煤电厂以满足电力事业、工业和军事应用。它比其它类型的燃料电池对于燃料的运应性广。 MCFCs比PAFCs费用少,其效率可达60%比PAFC电厂的37%42%的效率高很多。MCFC对CO,CO2不敏感,甚至可用CO2作为燃料,煤气也可作燃料。第6章 氢能及燃料电池利用技术缺点：（目前MCFC技术的基本缺点）耐久力差。电解液具有腐蚀性燃料电池寿命缩短：a.运行温度高；b.电解液具有腐蚀性,加速了附件的故障和腐蚀。解决办法采用抗腐蚀材料制作附件和设计过程，从而提高电池寿命而又不损坏性能。第6章 氢能及燃料电池利用技术第

22、6章 氢能及燃料电池利用技术特点运动温度近1000,可以进一步提高联合循环的性能。固体氧化物系统通常用坚硬陶瓷材料代替液体电解液。固态陶瓷结构耐高温,材料选择更灵活,且更具有可靠性和稳定性。SOFC能够达到燃料发电比50%60%LHV,并在联合应用时,总系统热效率达到85%LHV。固体氧化物燃料电池采用坚硬的无孔陶瓷复合物电解液。第6章 氢能及燃料电池利用技术固体氧化物燃料电池（SOFC）SOFC将燃料转换成电时的效率约为50%60%。高温运行排除了重金属催化剂,费用得以减少。SOFC内部改良燃料,使得可以应用各种燃料,减少由于增加系统改良剂的相关费用。SOFC是最抗硫的燃料电池,比其它燃料电

23、池忍受多几个数量级的硫含量的燃料,对CO不敏感,甚至可以用作燃料,也允许用煤气来做燃料源。对燃料的适应性广。第6章 氢能及燃料电池利用技术缺点高温运行,可以导致启动时间延长,需要热屏蔽防止热损失和保护公用事业中人身安全。SOFC不适用于运输和小的便携应用高温运行下,对燃料电池的材料性能有新的要求：即高耐久性,低费用,是这类技术开发利用的关键技术。目前正在探索开发较低温度SOFC运行在800以下,这样就可以有较少的耐久问题和较少的费用。较低温度SOFC可以发较少的电力。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术燃料电池电站：它可以作汽车动力源，还可以供电和供热。大规模集中式发电

24、和远距离输电的缺点a.大规模集中式发电容易发生停电事件和在战争中电网被轻易地破坏。b. 远距离输送则能耗特别大。分散式发电是新思路,燃料电池的出现可使每一栋楼房和每一家住户都可以成为发电的场所(燃料电池系统可安装在任何地方)。美国决定大力发展燃料电池发电技术,制定普及应用计划,确保国家安全。第6章 氢能及燃料电池利用技术便携式燃料电池它将是另一个广阔的市场：手机,数码相机,录音机,游戏机,掌上电脑对电池的要求很高。现在市场上普遍采用的镍镉,镍氢以及锂离子电池已经不能胜任这些便携式电子产品的发展的要求。现有的电池技术相对成熟,已无法再获得更大幅度的增长,微型燃料电池的诞生,以其更加高容量,轻便,

25、环保等优点正逐渐成为未来电池新技术发展的一个重点。可以从几瓦到几千瓦不等,一般认为百瓦级燃料电池可以作为电动自行车,电动摩托车的电源,展览演示电源,士兵携带电源,小型服务器,终端,微机的不间断动力源。十瓦级燃料电池可以做笔记本电脑,应急作业灯,警服装备等电源,瓦级燃料电池可用于手机,掌上电脑等。第6章 氢能及燃料电池利用技术目前如： 美国： 手机燃料电池。日本东芝：甲醇燃料电池用于手机,笔记本电脑,PDA等。 平均功率12W,最大功率20W,工作时间约5h。NEC： 燃料电池用笔记本电脑（内置） 功率密度为40MW/cm2,平均功率14W,最大功率24W。德国Smart公司： 燃料电池用于摄像

26、机中国： 大连物化所,清华大学核能和新能源技术 研究院等,燃料电池堆。第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术第6章 氢能及燃料电池利用技术燃料电池汽车氢燃料电池汽车发展势头强劲。氢燃料电池汽车和传统的内燃机汽车有很大的不同，燃料电池车不用内燃机离合器和传动轴等。省去70%的机械零件,使之更适合自动化生产,更便宜,更容易进千家万户。美国通用汽车公司Hy-Wire，2003.11.19在北京展示燃料电池汽车（Hy-Wire是氢燃料驱动和线传操控技术的结合)。 第6章 氢能及燃料电池利用技术6.4 氢能和燃料电池利用特点是：采用燃料电池技术实现了尾气“零排放”,即没有CO2,氮氧化物的排放;采用线操控技术完全摒弃了传统汽车的方向盘和离合器等机械操控装置,实现了电子方式操控,这两种技术结合是世界首次。Hy-Wire的燃料电池驱动系统能够持续供应94KW的动力,电子电机用来驱动前轮,线传操控转向和刹车。由于没有了发动机,变速器,排气系统和机械连接装置,底盘和本身通过电子和软件系统简单地连接,就好像一台笔记本电脑。这一革命性变化将会为用户提供更加个性化风格的车身,用户甚至可以根据自己的需求租用多种车身,自主随意地变换使用;由于采用线传操控技术,驾驶将变得更加自由和轻松。 第6章 氢能及燃料电池利用技术无能从环保,还是可再生能源方面,氢