氢燃料电池PPT课件

1、一、前言 新能源的要求 高效、清洁、经济、安全 太阳能，风能，潮汐能 氢能？ 化石能源的特点 温室效应 CO2的排放量逐年增加 卡诺循环限制 转化效率低、能源浪费严重 污染严重 粉尘、CO2、NOx第1页/共80页氢能 未来最有前途的能源 氢能 受控核聚变能 而这两种能源都与氢元素息息相关，前者直接利用氢，后者则利用氢的同位素氘 氢蕴藏于浩瀚的海洋之中 海洋的总体积约为13.7亿立方千米，若把其中的氢提炼出来，约有1.41017吨，所产生的热量是地球上矿物燃料的9000倍第2页/共80页氢能正是一种理想的新的含能体能源 二次能源 “过程性能源” 电能 可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油

2、、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能 “含能体能源” 柴油、汽油 生产它们几乎完全依靠化石燃料 随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭 这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源 第3页/共80页氢的特点所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7C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10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体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75，除空气中含

3、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倍第4页/共80页氢的特点 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142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍 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 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，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反

4、复循环使用第5页/共80页氢的特点 氢能利用形式多 既可以通过燃烧产生热能 发电 做功 作为能源材料用于燃料电池 转换成固态氢用作结构材料 用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用 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第6页/共80页氢能有待解决的关键问题 廉价的制氢技术 安全可靠的贮氢和输氢方法 氢易气化、着火、爆炸第7页/共80页氢的来源 在宇宙中氢是最丰富的物质，氢在自然界多以化合物形态出现 在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占据1，原子组成占据154。 化合态氢的最常见形式是水和有机物

5、（如石油、煤炭、天然气及生命体等）。 在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获得大量的单质氢只有依靠人工制取 天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有效来源 氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧），而氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，真是取之不尽，用之不竭 工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径第8页/共80页氢的制取 电解水制氢 电何处来？ 矿物燃料制氢 天然气制氢 醇类制氢 硼氢化物制氢 生物质气化制氢 垃圾、秸秆、稻草 太阳能制氢第9页/共80页电解

6、水制氢 水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一 提供电能使水分解制得氢气的效率一般在7585，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制 水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为455 5kWh左右 电能可由各种一次能源提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳能、水能、风能及海洋能等等第10页/共80页热化学制氢 当水直接加热到很高温度时，例如3000以上，部分水或水蒸气可以离解为氢和氧 利用太阳能聚焦或核反应的热能 第11页/共80页光化学制氢 光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法 光催化过程是指含有催化剂的反应体系，在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢

7、气。第12页/共80页矿物燃料制氢 煤制氢 煤的焦化 焦炉煤气组成中含氢气5560（体积）、甲烷2327、一氧化碳68等 煤的气化 所制得煤气组成为氢3739（体积）、一氧化碳1718、二氧化碳32、甲烷810 第13页/共80页矿物燃料制氢 以天然气或轻质油为原料制取氢气 水蒸气重整 CH4+H2OCO+H2 CO+H2OCO2+H2 CnH2n2+nH2OnCO+（2n+1）H2 用该法制得的气体组成中，氢气含量可达74（体积）。 第14页/共80页矿物燃料制氢 以重油为原料部份氧化法制取氢气 重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物 气体产物组成：氢气46（体积），一氧化碳46，二氧化碳6

8、 第15页/共80页生物质制氢 生物质气化制氢 将生物质原料如薪柴、锯未、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料气。 其气化产物中氢气约占10左右第16页/共80页生物质制氢 微生物制氢技术 利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气 化能营养微生物 各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌 发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等 光合微生物 微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系，称光合产氢第17页/共80页其它合氢化物制氢 硫化氢中制取氢气 我国有丰富的H2S资源 硼氢化钠制取氢气 车载氢源研究热点 第18页/共80页太阳能制

9、氢 无穷无尽 太阳能热分解水制氢 热化学制氢 太阳能发电电解水制氢 电解水制氢 太阳光光催化分解水制氢 太阳能生物质制氢等等第19页/共80页副产氢回收 各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿m3以上 合成氨工业中氢的年回收量可达14108立方米 氯碱工业中有87106m3的氢可供回收利用 在冶金工业、发酵制酒厂、石油炼制厂等生产过程中都有大量氢可回收第20页/共80页储氢合金 氢能被认为是人类最理想、最长远的能源。作为氢气载体的贮氢合金的研究开发及其产业化是世界性关注的课题。贮氢合金是一种特种金属功能材料，用贮氢合金制作的镍氢电池是一种清洁、高效的绿色能源。国外研制的烯氢汽车最高时速可达

10、100km。我国镍和稀土储量丰富，发展贮氢合金具有资源优势，产业化发展前景乐观。目前上海的一种只以氢和空气为动力的旅游观光车已能实现零污染排放，安全性能好。估计到2010年，我国镍氢电池产量将突破8亿只，产值将达到数十亿元。第21页/共80页氢气储存 传统储氢方法 利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小 储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热 新型储氢方法 高压液化氢气槽(High-pressure and liquefied hydrogen tank) 金属氢化物(Metal hydride) 碳基吸附剂(Carbon-based adsorbents

11、 )， 金属有机配位子结构(Metal-Organic Frameworks) 此新颖材料乃利用金属离子与有机配位子键结成三度空间延伸的固体，其具有较大的表面积，进而提供空间吸附气体第22页/共80页氢能经济第23页/共80页氢经济 关于氢经济的最早文字记载大概出现在1870年儒勒凡尔纳（Guies Verne）写的一本科学幻想小说神秘岛中。他在书中写道：“我相信总会有一天可以用水来作燃料，组成水的氢和氧可以单独地或合在一起采使用。这将为热和光提供无限的来源，所供给光和热的能量是煤炭所无法达到的。所以我相信一旦煤矿枯竭了，我们将会用水来供热和取暖。水将是未来的煤炭。”第24页/共80页什么是氢

12、经济? 美国自”9.11”事件以后，对于氢能相关技术研发的步伐明显加快，在国际上处于领先地位。在美2001年11月在华盛顿召开的国家氢能前景会议上形成的文件“A national vision of Americas tran-sition to a hydrogen economy-to 2030 and beyond”中，对氢经济的描述为：“未来的氢经济中-美国将拥有安全、清洁以及繁荣的氢能产业。美国消费者将象现在获取汽油、天然气或电力那样方便地获取氢能。氢能的制备将是洁净的，没有温室气体排放的。氢能将以安全的方式输送。美国的商业和消费者将氢作为能源的选择之一。美国的氢能产业将提供全球领先

13、的设备、产品和服务。” 第25页/共80页如何实现氢经济 从氢能制备的角度 利用碳氢燃料规模制备可望成为突破点，采用先进气化技术为核心的混合循环多联产系统将对传统的能源产业产生革命性的影响 随着可再生能源制备技术的逐步成熟，以此为基础的氢能与化石燃料制备的氢能具有成本竞争力 氢能分配的角度 高效的储存和输送技术将促成供能基础设施的成本不断下降，形成管网、罐车、铁路等多重分配体系 从氢能利用的角度 燃料电池技术的日渐成熟促成了汽车工业的转型 高温固定式燃料电池也将在中心式及分布式供能系统中发挥重要作用 在重型运输机械及体积/重量要求比较苛刻的场合，氢能将通过燃烧的方式实现高效供能。第26页/共8

14、0页中国的氢推广计划 2003年3月27日，由全球环境基金（GEF）、联合国开发计划署(UNDP)和中国政府共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”正式启动，这项历时5年的工程，总投入3236万美元。项目由GEF、UNDP、中国科技部和北京上海两地的市政府以及企业共同投资，将首先在北京和上海进行试点示范。从而推动燃料电池公共汽车在中国产业化和推广应用 在北京为2008奥运会上，20辆帕萨特领驭燃料电池轿车，和近500辆各种电动车 到2010年上海世博会期间，20辆氢燃公交车、300辆氢燃出租车、1000辆电动汽车以及一批燃料电池场地车和邮政车都将投入运行。 氢能线路图，hydrogen

15、 roadmap第27页/共80页我国氢能研究和开发 过去，我国氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多的困难条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面，仍然取得了不少的进展和成绩 现在，我国实施可持续发展战略，积极推动包括氢能在内的洁净能源的开发和利用。近年来，在氢能领域取得了多方面的进展。第28页/共80页氢能利用代表之一燃料电池 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术 不经过燃料燃烧直接将电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置 特点 高效8590；实际4060 环境友好 安静 可靠性高第29页/共80页燃料电池的出现 1839年，英国Sir William

16、R. Grove爵士发表了世界上第一篇有关燃料电池研究的报告-以Pt为电极的氢-氧燃料电池 从1960年10月质子交换膜燃料电池首次用于双子星座航天飞船飞行 燃料电池用于航天领域 长时间运作 重量轻 发电时不用回转装置，没有噪音和磨损 产生纯水，作为宇航员的饮用水第30页/共80页燃料电池分类 碱性燃料电池 Alkaline Fuel Cell, AFC 电解质强碱（KOH） 燃料纯氢 氧化剂纯氧或脱除微量CO2的空气 电池工作温度50200 度 用于特殊场合，航天提供饮用水和动力 地面应用缺陷 以空气代替纯氧时，必须消除微量的CO2 以重整气代替纯氢时，必须消除大量的CO2第31页/共80页

17、KOH 阳极氧化反应 H2+2OH- 2H2O+2e- 阴极还原反应 1/2O2+H2O+2e- 2OH-第32页/共80页碱性燃料电池 氧电极 以Pt/C，Ag，Ag-Au，Ni等阴极催化剂制备的多孔扩散电极 氢电极 以Pt-Pd/C，Pt/C，Ni，NiB等阳极催化剂制备的多孔扩散电极 双极板 无孔碳板，镍板或镀镍甚至镀银/镀金的各种金属（如铝，镁，铁等）板第33页/共80页磷酸型燃料电池 Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC 电解质主要是SiC多孔隔膜储存的磷酸 燃料纯氢或重整气 氧化剂纯氧或空气 电池工作温度100200 度 用于区域性供电 结构简单，性能稳定

18、不利 腐蚀性很强 必须用贵金属作催化剂 电解质容易流失第34页/共80页H3PO4阳极氧化反应H2 2H+2e-阴极还原反应1/2O2+2H+2e- H2O第35页/共80页质子交换膜燃料电池 Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC 固体聚合物燃料电池 Solid Polymer Fuel Cell，简称SPFC 聚合物电解质膜燃料电池 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，简称PEMFC第36页/共80页质子交换膜燃料电池 电解质 质子交换膜 燃料 纯氢或重整气 氧化剂 纯氧或空气 电池工作温度 室温100 度

19、 用于移动式电源，分散电站；军/民两用第37页/共80页 氢-氧质子交换膜燃料电池 氢的阳极氧化: 2H2-4e-4H+ 氧的阴极还原: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O第38页/共80页直接醇类燃料电池 Direct Alcohol Fuel Cell，DAFC 直接甲醇燃料电池，Direct Methanol Fuel Cell，简称DMFC 电解质质子交换膜 电池工作温度 室温100 度 用于微型移动电源，Micro Fuel Cell 不利 CO中毒 甲醇渗透，电氧化活性低 CO2管理第39页/共80页第40页/共80页熔融碳酸盐燃料电池 Molten Carbonate Fue

20、l Cell，MCFC 电解质 熔融碳酸盐，K2CO3,Li2CO3 燃料 净化煤气，天然气，重整气等 氧化剂 纯氧或空气 电池工作温度 650700 度第41页/共80页 隔膜 偏铝酸锂，LiAlO2 阳极氧化反应 催化剂：Ni H2+CO32- CO2+H2O+2e- 阴极还原反应 催化剂：NiO 1/2O2+CO2+2e- CO32-第42页/共80页固体氧化物燃料电池 Solid Oxide Fuel Cell，SOFC 电解质 固体氧化物 YSZ-Y2O3稳定的ZrO2 燃料 净化煤气，天然气 氧化剂 空气 电池工作温度 9001000 度 用于区域供电，联合循环发电第43页/共80

21、页n阳极氧化反应n催化剂：NinH2+O2- H2O+2e-n阴极还原反应n催化剂：贵金属，n离子电子复合导电的钙钛矿型复合氧化物Sr掺杂的LaMnO3（LSM）n1/2O2+2e- O2-第44页/共80页归纳燃料电池种类燃料电池种类 电解电解质质 导电离子导电离子 操作温度操作温度 ( (O OC)C) 燃料燃料/氧化气体氧化气体 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + ( (水合水合) ) 60 60 - - 80 80 H H2 2/ /空气空气 质子交换膜质子交换膜 能量密度高能量密度高. . 铂贵金属催化剂铂贵金属催化剂. . 必须

22、加湿必须加湿. CO . CO 毒化毒化. . KOHKOH OHOH- - 9090 H H2 2/ /氧气氧气 碱性碱性 能量密度高能量密度高. CO. CO2 2 毒化毒化. . H H3 3POPO4 4 H H+ + 200200 H H2 2/ /空气空气 磷酸磷酸 能量密度中等能量密度中等. . 铂贵金属催化剂铂贵金属催化剂. CO . CO 很敏感很敏感. . L Li i2 2COCO3 3/K/K2 2COCO3 3 COCO3 32 2- - 650650 H H2 2,CO/,CO/空气空气 熔融盐熔融盐 能量密度低能量密度低. . 镍催化剂镍催化剂. . Z Zr r

23、0.920.92Y Y0.080.08O O1.961.96 O O2 2- - 700700- -1000 (1000 (现有现有450)450) CHCH4 4, CO/, CO/空气空气 固体氧化物固体氧化物 中高能量密度中高能量密度 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + (H (H2 2,CH,CH3 3OH)OH) 60 60 - - 120 120 CHCH3 3OH/OH/空气空气 直接甲醇直接甲醇 中等能量密度中等能量密度. . 低效率低效率. . 高铂贵金属催化剂用量高铂贵金属催化剂用量. . 第45页/共80页微生物燃料电

24、池 微生物的生命活动产生的所谓“电极活性物质”作为电池燃料，然后通过类似于燃料电池的办法，把化学能转换成电能，成为微生物电池 宇宙飞船中，用微生物中的芽孢杆菌来处理尿，生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了微生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能 第46页/共80页第47页/共80页可再生燃料电池第48页/共80页质子交换膜燃料电池的现状和进展第49页/共80页质子交换膜燃料电池的应用主要是车用和家用第50页/共80页Conventional FEM Fuel Cell System第51页/共80页Worldwide Application of PEM Fuel Cell in Our

25、Future Lif第52页/共80页第53页/共80页PEMFC组成组成核心核心MEA （membrane electrolyte assembly)膜电极装备膜电极装备 *（456）4.Catalyst layer 催化剂层催化剂层5.Proton Exchange Membrane(Electrolyte) 质子交换膜质子交换膜6.Carbon Cloth or carbon paper with diffusion layer 带有扩散带有扩散层的碳纸或碳布支撑、扩散层的碳纸或碳布支撑、扩散3.Bipolar 双极板气体通道双极板气体通道2. Bus Plate 集流板集流板收集电流收

26、集电流1.End Plate 端板端板固定、组装固定、组装第54页/共80页电极催化剂 催化剂阳极 贵金属催化 类贵金属催化剂阴极 贵金属催化剂 类贵金属催化剂 卟啉、酞菁类铁、钴等配位化合物 催化剂载体碳黑. XC-72，BP2000金属氧化物. WOx, SnOx, AlOx, 等带电高分子材料第55页/共80页 CoTETA， TETA，triethylenetetramine, 三乙烯四胺第56页/共80页第57页/共80页电极催化剂的寿命 催化剂长大 催化剂晶型发生变化 杂质的毒化 燃料和空气中的杂质 双极板及其它产生的杂质第58页/共80页电极催化剂的用量 催化剂用量:目标: 0.

27、1 mg/cm2(物理溅射方法)目前: 0.31.0 mg/cm2(both sides total). 取决于不同的催化剂层制备技术第59页/共80页The paste is coated on PTFE sheetDryCatalyst and ionomer solutionare mixed by ball millThe paste is coated on gas diffusion mediaDryHot pressCatalyst layer is transferred on membrane by hot pressPasteFabricating process on m

28、embraneFabricating process on gas diffusion mediaCoating of PTFE/Carbon layer Coating of Ionomer/Carbon layer 催化剂层制备技术之一转移涂层技术第60页/共80页门帘涂层油墨印刷喷溅喷雾丝网印刷滚筒涂层第61页/共80页质子交换电解质膜必要条件 质子导电率 0.1S/cm 薄膜成型能力及机械强度高 价廉 在强酸和燃料电池工作条件下稳定 低气体渗透 低甲醇渗透(DMFC) 无污染和易回收利用第62页/共80页质子交换电解质膜现状 (低温) Nafion (DuPont) Gore (PRI

29、MEA, Reinforced) Aciplex (Asahi Chemicals) Flemion, Fiber/Cloth Reinforced (Asahi Glass) Ballard BAM Dow PSSA, PSSA-g-PVDF/HFP, Sulfonated Partially Fluorinated PolymerAll for 100 C: Lower Proton Conductivity and Poor Cell Performance Unless Pressurized and Well-Humidified (System Complication)第63页/共80页高温质子交换电解质膜优点: 减少CO 毒化. 加速动力学反应速度. 有利于水管理. 有利于热管理. 缺点: 膜失去水而导致 膜电阻增加. 电极极化增加. (氧气还原速度(ORR)与水含量有关.)第64页/共80页质子交换电解质膜现状(高温) New High-Temperature Ionomer Sulfonated/Phosphonated high-temperature polymers Liq