第七讲 氢能和燃料电池

1、NCEPUNCEPU 第七讲第七讲 氢能和燃料电池氢能和燃料电池 v氢的特点氢的特点 v氢能应用的关键问题氢能应用的关键问题 v氢的制取氢的制取 v氢的储存和运输氢的储存和运输 NCEPUNCEPU 发展氢能的原因发展氢能的原因 v煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造 成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。 v矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开 采而枯竭。采而枯竭。 v当前在设法降低现有常规能源（如煤、石油等）造当前在设法降低现有常规能源（如煤

2、、石油等）造 成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势 所趋。所趋。 NCEPUNCEPU v 氢氢作为化学能的载能体，和大气中的氧燃烧或反应作为化学能的载能体，和大气中的氧燃烧或反应 后，只生成水后，只生成水 v 氢是一种清洁的能量载体；氢能和电能一样，没有氢是一种清洁的能量载体；氢能和电能一样，没有 直接的资源蕴藏，都需要从别的一次能源转化得到，直接的资源蕴藏，都需要从别的一次能源转化得到， 所以，氢能是一种二次能源所以，氢能是一种二次能源 氢能是取之不尽用之不竭的洁净能源 NCEPUNCEPU 氢气是最清洁的燃料氢气是最清洁的燃料 氢的原料

3、是丰富的水，氢可由多种一次能量制出故没有氢的原料是丰富的水，氢可由多种一次能量制出故没有 资源的限制资源的限制 氢的燃烧生成物是水，不污染环境氢的燃烧生成物是水，不污染环境 与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回 归于水，不影响地球上的物质循环归于水，不影响地球上的物质循环 与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易 氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机 燃料等燃料等 氢能可由燃料电池直接用来发电氢能可由燃料电池直接用来发电 氢与储氢材料之间的可逆反应

4、具有能量转换功能。故可氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可 广泛用于电池等广泛用于电池等 氢可广泛用作化工等的原料氢可广泛用作化工等的原料 NCEPUNCEPU 科学家认为，氢能在二十一世纪能科学家认为，氢能在二十一世纪能 源舞台上将成为一种举足轻重的能源源舞台上将成为一种举足轻重的能源 燃料电池系统是氢能利用的最佳方燃料电池系统是氢能利用的最佳方 案和新技术平台，是火力发电、水力案和新技术平台，是火力发电、水力 发电、原子能发电之后的第四大发电发电、原子能发电之后的第四大发电 方式。方式。 NCEPUNCEPU NCEPUNCEPU 氢能系统氢能系统 v氢能系统氢能系统 氢能系统

5、氢能系统 转换转换 储存储存 输运输运 化石原料制备化石原料制备 COCO2 2处理处理 可再生能源制备可再生能源制备 应用应用 NCEPUNCEPU 氢的特点氢的特点 v 所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为 0.0899g/l0.0899g/l；在；在-252.7-252.7C C时，可成为液体，若将压力增大时，可成为液体，若将压力增大 到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。 v 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系 数高出数高出10

6、10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 v 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量 的的7575，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮 存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海 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化石燃料放出的热量还大90O090O0倍。倍。 v 除核燃料外氢的发热值是所有化

7、石燃料、化工燃料和生物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，为燃料中最高的，为142,351kJ/kg142,351kJ/kg，是汽油发热值的，是汽油发热值的3 3倍。倍。 NCEPUNCEPU 氢的特点氢的特点 v 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围， 而且燃点高，燃烧速度快。而且燃点高，燃烧速度快。 v 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水氢本身无毒，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诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化

8、碳、碳氢 化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少化合物、铅化物和粉尘颗粒等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巨，而且燃烧生量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生 成的水还可继续制氢，反复循环使用。成的水还可继续制氢，反复循环使用。 v 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动 机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或 转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对 现有的

9、技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可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。使用。 v 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮 运及各种应用环境的不同要求。运及各种应用环境的不同要求。 NCEPUNCEPU 氢能应用的关键问题氢能应用的关键问题 v廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源， 它的制取不但需要消耗大量的能量，而且它的制取不但需要消耗大量的能量，而且 目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉 价的制氢技术是各国科学家共同关心的问价

10、的制氢技术是各国科学家共同关心的问 题。题。 v安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气 化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能 的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关 键。键。 v大规模高效利用氢能的末端技术大规模高效利用氢能的末端技术 NCEPUNCEPU 氢的制取氢的制取 v 传统的制氢技术传统的制氢技术 烃类水蒸气重整制氢法、烃类水蒸气重整制氢法、 重油（或渣油）部分氧化重整制氢法重油（或渣油）部分氧化重整制氢法 电解水法。电解水法。 v 新制备方法新制备方法 生物制氢生物制氢 利用工农

11、业副产品制氢的技术也在发展。利用工农业副产品制氢的技术也在发展。 热化学循环制氢热化学循环制氢 太阳能太阳能 地热能地热能 核能等核能等 NCEPUNCEPU 氢的制取氢的制取 NCEPUNCEPU 氢的储存氢的储存 v高压气态贮存高压气态贮存 v低温液氢贮存低温液氢贮存 v金属氢化物贮存金属氢化物贮存 NCEPUNCEPU 高压气态贮存高压气态贮存 v 气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。 v为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消 耗较多的压缩功。耗较多的压缩功。 v一般一个充气压力为一般一个充气压力为

12、20MPa20MPa的高压钢瓶贮氢重量只的高压钢瓶贮氢重量只 占占1.61.6；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5 5。 为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储 氢装置，它是一微型球床。微型球系薄壁（氢装置，它是一微型球床。微型球系薄壁（1 1 1Om1Om），充满微孔（），充满微孔（1010100m100m），氢气贮存在），氢气贮存在 微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制 造。造。 NCEPUNCEPU 低温液氢贮存低温液氢贮存 v 将氢气冷却到将氢气冷却到-253-253

13、，即可呈液态，然后，将其贮存在，即可呈液态，然后，将其贮存在 高高 真空的绝热容器中。真空的绝热容器中。 v 液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技 术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。 现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种 二氧化硅的微珠直径约为二氧化硅的微珠直径约为3030150m150m，中间是空心的，壁，中间是空心的，壁 厚厚l l 5m5m。在部分微珠上镀上厚度为。在部分微珠上镀上厚度为1m1m的

14、铝。由于这的铝。由于这 种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间 的对流换热；将部分镀铝微珠（一般约为的对流换热；将部分镀铝微珠（一般约为3 35 5）混入）混入 不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝 缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热 容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用 这种新型的贮氢容器。这种新型的贮氢容器。 NCEPUNCEPU 金属氢

15、化物贮存金属氢化物贮存 v 氢与氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给 金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢 和氢化金 属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于 其中。 v 用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。 稀土镧镍等，每公斤镧镍合金可贮氢153L。 铁一钛系，它是目前使用最多的贮氢材料，其贮氢量 大，是前者的4倍，且价格低、活性大，还可在常温常 压下释放氢，给使用带来很大的方便。 镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在287 下才能释放氢，且吸收氢十分缓慢，因而使用上受限 制。 钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属， 因此只适用于某些特殊场合。

16、 NCEPUNCEPU 金属氢化物贮存金属氢化物贮存 v目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是 贮氢量低，成本高及释氢温度高。贮氢量低，成本高及释氢温度高。 v带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式，带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式， 它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可 用于吸收废热，储存太阳用于吸收废热，储存太阳 能，还可作氢泵或氢压能，还可作氢泵或氢压 缩机使用。缩机使用。 NCEPUNCEPU 金属氢化物贮存金属氢化物贮存 氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢， 它们在使用

17、过程中都存在着不可忽视的特殊问题。 首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用 过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是 如此。 其次，氢特别容易泄漏，以氢作燃料的汽车行驶试验 证明，即使是真空密封的氢燃料箱，每24h的泄漏率就 达2，而汽油一般一个月才泄漏1。因此对贮氢容 器和输氢管道、接头、阀门等都要采取特殊的密封措 施。 第三， 液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就 会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别 注意采取各种安全措施。 NCEPUNCEPU 燃料电池燃料电池 v燃料电池燃料电池(Fuel Cell)(Fuel Cell)的基本原理及组成的基本原理及组成 v

18、燃料电池的分类燃料电池的分类 v质子交换膜质子交换膜燃料电池特点及研发应用现状燃料电池特点及研发应用现状 v燃料电池的发展趋势燃料电池的发展趋势 NCEPUNCEPU 燃料电池的定义及其分类燃料电池的定义及其分类 定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的 氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电 池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池 内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提内输入燃料和氧化

19、剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提 供电能。供电能。 分类：根据工作温度可分为低温型（低于分类：根据工作温度可分为低温型（低于100100）、中温型）、中温型 （100-300100-300）和高温型（）和高温型（600-1000600-1000）三种。根据电解质的）三种。根据电解质的 种类可分为：碱性燃料电池种类可分为：碱性燃料电池( (AFC)AFC)、磷酸燃料电池磷酸燃料电池( (PAFC)PAFC)、熔熔 融碳酸盐燃料电池融碳酸盐燃料电池( (MCFC)MCFC)、固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池( (SOFC)SOFC)和聚和聚 合物离子膜燃料电池合物离子膜燃料电池( (PCM

20、FC)PCMFC)。 NCEPUNCEPU 燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理 燃料电池由阳极、阴极燃料电池由阳极、阴极 和离子导电的电解质构和离子导电的电解质构 成，其工作原理与普通成，其工作原理与普通 电化学电池类似，燃料电化学电池类似，燃料 在阳极氧化，氧化剂在在阳极氧化，氧化剂在 阴极还原，电子从阳极阴极还原，电子从阳极 通过负载流向阴极构成通过负载流向阴极构成 电回路，产生电流。电回路，产生电流。 燃料燃料氧化剂氧化剂 阳极阳极 阴极阴极 电电 解解 质质 导电离子导电离子 NCEPUNCEPU 1.1燃料电池燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理的基本原理 燃料电池通过氧与氢

21、结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。 燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。 二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固 态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常 用来加速电化学反应。用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。下图为燃料电池基本原理示意图。 NCEPUNCEPU 燃料可以是燃料可以是H H2 2、CHCH4 4、CHCH3 3OHOH、COCO等

22、，氧化剂一般是氧气等，氧化剂一般是氧气 或空气，电解质可为水溶液（或空气，电解质可为水溶液（H H2 2SOSO4 4、H H3 3POPO4 4、NaOHNaOH等）、熔等）、熔 融盐（融盐（NaCONaCO3 3、K K2 2COCO3 3）、固体聚合物、固体氧化物等。）、固体聚合物、固体氧化物等。 发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳 极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的 还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内

23、移 动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不 同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可 以连续不断地产生电能。以连续不断地产生电能。 NCEPUNCEPU 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电 池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送 入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废 热，以维持电池工作温度的恒

24、定。热，以维持电池工作温度的恒定。FCFC本身只决定输出功率本身只决定输出功率 的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的 量决定。量决定。 NCEPUNCEPU 1.2燃料电池系统组成燃料电池系统组成 单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必 需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/ /热管热管 理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组 成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。成燃料电池发电系

25、统，简称燃料电池系统。 1 1 燃料电池组燃料电池组 2 2 辅助装置和关键设备：辅助装置和关键设备： (1)(1)燃料和燃料储存器燃料和燃料储存器 (2)(2)氧化剂和氧化剂存储器氧化剂和氧化剂存储器 (3)(3)供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换 器、气体分离和净化装置）器、气体分离和净化装置） (4)(4)水和热管理系统水和热管理系统 NCEPUNCEPU 1.3燃料电池系统发展燃料电池系统发展 v1839年英国的Grove发明了燃料电池，并 用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧 燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯 v剑桥大学的Ba

26、con用高压氢氧制成了具有实 用功率水平的燃料电池。60年代，这种电 池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。 NCEPUNCEPU v 在中国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电 源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的 推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间 中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱 性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例 行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学 研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进 行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力 工业部哈尔滨电站

27、成套设备研究所于1991年研制出由7个 单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院 大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究 所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研 究。 NCEPUNCEPU 2燃料电池的分类燃料电池的分类 燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃 料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按 电解质划分，燃料电池大致上可分为五类：电解质划分，燃料电池大致上可分为五类： 1 1 质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（pro

28、ton exchange membrane proton exchange membrane fuel cell-PEMFCfuel cell-PEMFC） 2 2 碱性燃料电池（碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFCalkaline fuel cell-AFC） 3 3 磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFCphosphoric acid fuel cell-PAFC） 4 4 熔化的碳酸盐燃料电池熔化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel (molten carbonate fuel cell-M

29、CFC)cell-MCFC) 5 5 固态氧化物燃料电池（固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFCsolid oxide fuel cell-SOFC） NCEPUNCEPU 2.1质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池的关键质子交换膜燃料电池的关键 材料与部件为：材料与部件为：1)1)电催化剂；电催化剂；2)2) 电极（阴极与阳极）；电极（阴极与阳极）；3 3）质子）质子 交换膜；交换膜；4 4）双极板。）双极板。 工作时，氢在阳极被转变成工作时，氢在阳极被转变成 氢离子的同时释放出电子，电氢离子的同时释放出电子，电 子通过外

30、电路回到电池阴极，子通过外电路回到电池阴极， 与此同时，氢离子则通过电池与此同时，氢离子则通过电池 内部高分子膜电解质到达阴极。内部高分子膜电解质到达阴极。 在阴极，氧气转变为氧原子，在阴极，氧气转变为氧原子， 氧原子得到从阳极传过来的电氧原子得到从阳极传过来的电 子变成氧离子，和氢离子结合子变成氧离子，和氢离子结合 生成水。生成水。 NCEPUNCEPU 在电极上的这些反应如下：在电极上的这些反应如下： 阳极：阳极： 阴极：阴极： 整体：整体： 质子交换膜燃料电池的工作温度约为质子交换膜燃料电池的工作温度约为8080。在这样的低。在这样的低 温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上

31、的温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的 一层薄的白金进行催化。一层薄的白金进行催化。 每个电池能产生约每个电池能产生约0.70.7伏的电，足够供一个照明灯泡使伏的电，足够供一个照明灯泡使 用。驱动一辆汽车则需要约用。驱动一辆汽车则需要约300300伏的电力。为了得到更高的伏的电力。为了得到更高的 电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料 电池存储器。电池存储器。 2 2H4H4e 22 O4H4e2H O 222 2HO2H O NCEPUNCEPU 500kw质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 NCEPUNCE

32、PU v 著名的加拿大著名的加拿大BallardBallard公司在公司在PEMFCPEMFC技术上全球领先，技术上全球领先，19971997 年年8 8月月250kW250kW燃料电池电站发电，其基本构件是燃料电池电站发电，其基本构件是BallardBallard燃燃 料电池，利用氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气料电池，利用氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气 （由空气得到）不燃烧地发电。（由空气得到）不燃烧地发电。 NCEPUNCEPU 2.2碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFC） 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间

33、任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。 碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但 其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应：其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应： 阳极反应：阳极反应： 阴极反应：阴极反应： 碱性燃料电池的工作温度大约碱性燃料电池的工作温度大约60-8060-80。因此启动也很快，。因此启动也很快， 但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽 车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成

34、本最低的，车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的， 因此可用于小型的固定发电装置。因此可用于小型的固定发电装置。 2 2H4OH4H O4e 22 O2H O4e4OH NCEPUNCEPU AFCAFC的优点是：的优点是： （1 1）效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性）效率高，因为氧在碱性介质中的还原反应比其他酸性 介质高；介质高； （2 2）因为是碱性介质，可以用非铂催化剂；）因为是碱性介质，可以用非铂催化剂； （3 3）因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极）因工作温度低，碱性介质，所以可以采用镍板做双极 板。板。 AFCAFC的缺点是：的缺点是： （

35、1 1）因为电解质为碱性，易与）因为电解质为碱性，易与CO2CO2生成生成K2CO3K2CO3、Na2CO3Na2CO3沉淀，沉淀， 严重影响电池性能，所以必须除去严重影响电池性能，所以必须除去CO2CO2，这给其在常规环，这给其在常规环 境中应用带来很大的困难。境中应用带来很大的困难。 （2 2）电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性）电池的水平衡问题很复杂，影响电池的稳定性。 NCEPUNCEPU v 为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。在为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。在19731973年年 的阿波罗登月飞船上成为其主电源。的阿波罗登月飞船上成为其主电源。 v 在国内，

36、在国内，7070年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研 究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研 究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系 统（千瓦级统（千瓦级AFCAFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。）均通过了例行的航天环境模拟试验。 NCEPUNCEPU 2.3磷酸燃料电池磷酸燃料电池(PAFC) 磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电 池。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电

37、池的工作温度要池。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要 位于位于150 - 200150 - 200左右，但仍需电极上的白金催化剂来加左右，但仍需电极上的白金催化剂来加 速反应。由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度速反应。由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度 要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。且较高的工作要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。且较高的工作 温度也使其对杂质的耐受性较强。温度也使其对杂质的耐受性较强。 磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%40%， 其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简其加热的

38、时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简 单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共 汽车的动力。汽车的动力。 NCEPUNCEPU 东芝公司从东芝公司从7070年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心年代后半期开始，以分散型燃料电池为中心 进行开发以后，将分散电源用进行开发以后，将分散电源用11MW11MW机以及机以及200kW200kW机形成了机形成了 系列化。系列化。11MW11MW机是世界上最大的燃料电池发电设备，从机是世界上最大的燃料电池发电设备，从 19891989年开始在东京电力公司五井火电站内建造，年开始在东京电力公司五

39、井火电站内建造，19911991年年3 3 月初发电成功后，直到月初发电成功后，直到19961996年年5 5月进行了月进行了5 5年多现场试验，年多现场试验， 累计运行时间超过累计运行时间超过2 2万小时，在额定运行情况下实现发电万小时，在额定运行情况下实现发电 效率效率43.6%43.6%。 NCEPUNCEPU PAFC PAFC用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在用于发电厂包括两种情形：分散型发电厂，容量在 10-20MW10-20MW之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量之间，安装在配电站；中心电站型发电厂，容量 在在100MW100MW以上，可以作为中等规模热电厂。以上

40、，可以作为中等规模热电厂。 NCEPUNCEPU 2.4熔融的碳酸盐燃料电池熔融的碳酸盐燃料电池 (MCFC)(MCFC) 熔融的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较熔融的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较 大，这种电池不是使用熔融的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸大，这种电池不是使用熔融的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸 盐作为电解质。当温度加热到盐作为电解质。当温度加热到650650时，这种盐就会熔融，时，这种盐就会熔融， 产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧 化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程化碳和电子。

41、电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程 中发电。中发电。 阳极反应：阳极反应： 阴极反应：阴极反应： 这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的 碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用 廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电 厂利用。这种燃料电池的效率最高可达厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%60%。 这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能这种电池需要较长的时间方能达到工作温度，因此不能 用于

42、交通运输。用于交通运输。 2 3222 COHH OCO2e 2 223 2COO4e2CO NCEPUNCEPU v 日本自日本自19811981年年“月光计划月光计划”时开始，时开始，19911991年后转为重点，年后转为重点， 每年在燃料电池上的费用为每年在燃料电池上的费用为12-1512-15亿美元，亿美元，19901990年政府追年政府追 加加2 2亿美元，专门用于亿美元，专门用于MCFCMCFC的研究。电池堆的功率的研究。电池堆的功率19841984年年 为为1kW1kW，19861986年为年为10kW10kW。日本同时研究内部转化和外部转。日本同时研究内部转化和外部转 化技术，

43、化技术，19911991年，年，30kW30kW级间接内部转化级间接内部转化MCFCMCFC试运转。试运转。19921992 年年50-100kW50-100kW级试运转。级试运转。19941994年，分别由日立和石川岛播磨年，分别由日立和石川岛播磨 重工完成两个重工完成两个100kW100kW、电极面积、电极面积1m21m2，加压外重整，加压外重整MCFCMCFC。另。另 外由中部电力公司制造的外由中部电力公司制造的1MW1MW外重整外重整MCFCMCFC正在川越火力发正在川越火力发 电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率大于电厂安装，预计以天然气为燃料时，热电效率大于45%45%， 运行

44、寿命大于运行寿命大于5000h5000h。由三菱电机与美国。由三菱电机与美国ERCERC合作研制的内合作研制的内 重整重整30kWMCFC30kWMCFC已运行了已运行了10000h10000h。三洋公司也研制了。三洋公司也研制了30kW30kW内内 重整重整MCFCMCFC。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的 MCFCMCFC燃料电池堆，试验寿命已达燃料电池堆，试验寿命已达13000h13000h。 NCEPUNCEPU v 德国德国MBBMBB公司于公司于19921992年完成年完成10kW10kW级外部转化技术的研究开级外部转化技术的研究开 发

45、，于发，于19921992年年-1994-1994年进行了年进行了100kW100kW级与级与250kW250kW级电池堆的级电池堆的 制造与运转试验。现在制造与运转试验。现在MBBMBB公司拥有世界上最大的公司拥有世界上最大的280kW280kW电电 池组体。池组体。 NCEPUNCEPU v 发电效率高比发电效率高比PAFCPAFC的发电效率还高；的发电效率还高； v 不需要昂贵的白金作催化剂，制造成本低；不需要昂贵的白金作催化剂，制造成本低； v 可以用可以用COCO作燃料；作燃料； v 由于由于MCFCMCFC工作温度工作温度600-1000600-1000，排出的气体可用来取暖，排出

46、的气体可用来取暖， 也可与汽轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到也可与汽轮机联合发电。若热电联产，效率可提高到80%80%； v 中小规模经济性与几种发电方式比较，当负载指数大于中小规模经济性与几种发电方式比较，当负载指数大于 45%45%时，时，MCFCMCFC发电系统成本最低。与发电系统成本最低。与PAFCPAFC相比，虽然相比，虽然MCFCMCFC 起始投资高，但起始投资高，但PAFCPAFC的燃料费远比的燃料费远比MCFCMCFC高。当发电系统为高。当发电系统为 中小规模分散型时，中小规模分散型时，MCFCMCFC的经济性更为突出；的经济性更为突出； v MCFCMCFC的结构比的结

47、构比PAFCPAFC简单。简单。 NCEPUNCEPU 2.5 固态氧化物燃料电池（固态氧化物燃料电池（SOFC） 固态氧化物燃料电池工作温度比熔融的碳酸盐燃料电池的固态氧化物燃料电池工作温度比熔融的碳酸盐燃料电池的 温度还要高，其工作温度位于温度还要高，其工作温度位于800-1000800-1000之间。在这种燃料电之间。在这种燃料电 池中，当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是池中，当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是 氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过 外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。 阳极反应：阳极反应： 阴极反应阴极