1、儲 氫 材 料12能源危機(jī)與環(huán)境問題能源危機(jī)與環(huán)境問題 化石能源的有限性與人類需求的無限性化石能源的有限性與人類需求的無限性石石油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭油、煤炭等主要能源將在未來數(shù)十年至數(shù)百年內(nèi)枯竭！ 化石能源的使用正在給地球造成巨大的生化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態(tài)災(zāi)難態(tài)災(zāi)難溫室效應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球動植物的生存！溫室效應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球動植物的生存！ 人類的出路何在？人類的出路何在？新能源研究勢在必行！新能源研究勢在必行！ 氫二十一世紀(jì)的綠色能源氫二十一世紀(jì)的綠色能源氫能概述及特點氫能概述及特點 所謂所謂氫能是指氫氣所含有的能量氫能是指氫氣所含有的能量，

2、實質(zhì)上氫是一種二次能源，實質(zhì)上氫是一種二次能源，是一次能源的轉(zhuǎn)換形式。也就是說，它只是能量的一種存儲形是一次能源的轉(zhuǎn)換形式。也就是說，它只是能量的一種存儲形式。氫能在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時其產(chǎn)物是水式。氫能在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時其產(chǎn)物是水 ，可實現(xiàn)真正的零排放。，可實現(xiàn)真正的零排放。作為能源，氫主要有以下主要特點：作為能源，氫主要有以下主要特點：所有元素中，氫所有元素中，氫重量最輕重量最輕氫本身氫本身無毒無毒，燃燒時會生成水和少量，燃燒時會生成水和少量氮化氫氮化氫所有氣體中，氫氣的所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好導(dǎo)熱性最好除核燃料外氫的除核燃料外氫的發(fā)熱值發(fā)熱值是所有化石燃是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最

3、高的，料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油發(fā)熱值的是汽油發(fā)熱值的3倍倍氫是自然界存在氫是自然界存在最普遍的元素最普遍的元素氫氫燃燒性能好燃燒性能好，點燃快，燃點高，點燃快，燃點高，燃燒速度快燃燒速度快氫能氫能利用形式多利用形式多，如燃燒等，如燃燒等氫可以氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出現(xiàn)屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)貯運及各，能適應(yīng)貯運及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求種應(yīng)用環(huán)境的不同要求345氫能開發(fā)，大勢所趨氫能開發(fā)，大勢所趨X 氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡盡不存在枯竭問題不存在枯竭問題X 氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物是水氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物

4、是水零排放，無污零排放，無污染染 ，可循環(huán)利用可循環(huán)利用X 氫能的利用途徑多氫能的利用途徑多燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)電X 氫的儲運方式多氫的儲運方式多氣體、液體、固體或化合物氣體、液體、固體或化合物6系統(tǒng)是作為一種系統(tǒng)是作為一種儲量豐富、無公害儲量豐富、無公害的能源替代品的能源替代品而倍受重視。而倍受重視。u 如果如果以海水制氫以海水制氫作為燃料，從原理上講，作為燃料，從原理上講，燃燒后只能生成水，這對環(huán)境保護(hù)極為有利；燃燒后只能生成水，這對環(huán)境保護(hù)極為有利；氫能開發(fā)，大勢所趨氫能開發(fā)，大勢所趨7如果進(jìn)一步如果進(jìn)一步用太陽能以海水制氫用太陽能以海水制氫，則可實，則可實現(xiàn)現(xiàn)無公害能

5、源系統(tǒng)無公害能源系統(tǒng)。此外，氫還可以作為此外，氫還可以作為，通過通過利用過剩電力利用過剩電力進(jìn)行進(jìn)行，實現(xiàn)能，實現(xiàn)能源貯存。源貯存。氫能開發(fā)，大勢所趨氫能開發(fā)，大勢所趨氫的制取氫的制取方法方法8氫的制取氫的制取化石能源制氫化石能源制氫 目前，世界上目前，世界上95%的氫氣是通過的氫氣是通過石化燃料的重整獲得石化燃料的重整獲得的。的。 如何高效的規(guī)模如何高效的規(guī)模化制氫，必然是氫能化制氫，必然是氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。9生物質(zhì)氣化制氫生物質(zhì)氣化制氫 是將生物質(zhì)置于高溫下，經(jīng)是將生物質(zhì)置于高溫下，經(jīng)熱解、水解、氧化、還原等一系熱解、水解、氧化、還原等一系列熱化學(xué)反應(yīng)以及蒸汽重整、水列熱

6、化學(xué)反應(yīng)以及蒸汽重整、水氣轉(zhuǎn)換和變壓吸附氫氣分離等等氣轉(zhuǎn)換和變壓吸附氫氣分離等等化工過程生成高純氫氣的技術(shù)?；み^程生成高純氫氣的技術(shù)。 需解決氣體熱值偏低和氣體需解決氣體熱值偏低和氣體凈化問題。凈化問題。氫的制取氫的制取生物質(zhì)氣化制氫生物質(zhì)氣化制氫 10電解水制氫電解水制氫最有前途的制氫方式最有前途的制氫方式氫的制取氫的制取電解水制氫電解水制氫11氫的制取氫的制取原料、工藝和特點原料、工藝和特點制氫類型制氫類型原料原料工藝工藝特點特點烴類蒸汽轉(zhuǎn)化和部分氧化法天然氣、石油氣化爐催化轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)工業(yè)方法，CO2處理困難烴類分解法烴類采用熱或等離子體將原料分解為氫和炭黑無需處理CO2，可得到炭黑等副產(chǎn)

7、品醇類分解法甲醇、乙醇等氣化爐催化轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率和氫含量高，轉(zhuǎn)化溫度低煤氣化法各種煤需氣化、脫硫、變換等能耗高，氫含量低H2S分解法H2S微波等離子體分解,Fe3+電氧化吸收,催化熱分解可處理H2S,但規(guī)模小光解水制氫水光催化材料的制備產(chǎn)量低，不成熟，環(huán)境友好水電解法水簡單，堿溶液中投資高，使用電力生物法發(fā)酵細(xì)菌、光合細(xì)菌和藻類細(xì)胞固定化或光照條件產(chǎn)量低，不成熟，但可處理有機(jī)廢水和生活垃圾等化石能源制氫化石能源制氫12在以氫作為在以氫作為能源媒體的能源媒體的氫能體系中，氫能體系中，是實際應(yīng)用中的關(guān)鍵。是實際應(yīng)用中的關(guān)鍵。儲儲氫材料就是作為氫材料就是作為儲儲而成為而成為當(dāng)前材料研究的一個熱點項目。當(dāng)

8、前材料研究的一個熱點項目。氫的儲存氫的儲存13 高壓氣體鋼瓶是最普通高壓氣體鋼瓶是最普通的儲氫方法，目前的最高氣的儲氫方法，目前的最高氣體壓力為體壓力為22MPa，下一個目，下一個目標(biāo)是達(dá)到標(biāo)是達(dá)到32MPa。但存在安。但存在安全隱患和大量的能源消耗。全隱患和大量的能源消耗。 氫的儲存與運輸氫的儲存與運輸高壓氣鋼瓶儲氫高壓氣鋼瓶儲氫高壓儲氫罐高壓儲氫罐14 液化后存儲在絕熱容器中。這種方法成本高，液化后存儲在絕熱容器中。這種方法成本高，儲氫環(huán)節(jié)需要消耗儲氫環(huán)節(jié)需要消耗40%40%的能量，而且儲存液氫要有的能量，而且儲存液氫要有極好的絕熱設(shè)備極好的絕熱設(shè)備托瓦瓶。液氫易逸散滲漏，會釀托瓦瓶。液氫

9、易逸散滲漏，會釀成嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故。成嚴(yán)重火災(zāi)和爆炸事故。氫的儲存與運輸氫的儲存與運輸液化儲氫液化儲氫液態(tài)儲液態(tài)儲氫罐氫罐15 用某些金屬或合金來儲存氫。用某些金屬或合金來儲存氫。氫有一個奇持的性質(zhì)，它氫有一個奇持的性質(zhì)，它會與某些過渡金屬會與某些過渡金屬( (如鈀等如鈀等) )或合金形成金屬氫化物或合金形成金屬氫化物，但還須提高氫的質(zhì)量密度。，但還須提高氫的質(zhì)量密度。氫的儲存與運輸氫的儲存與運輸金屬及合金儲氫金屬及合金儲氫NaAlHNaAlH4 4化合物化合物16 納米碳是指具有納米尺度幾何參數(shù)的碳材料，碳納米碳是指具有納米尺度幾何參數(shù)的碳材料，碳納米管能否儲氫關(guān)系到儲氫研究的方向。因此，

10、研納米管能否儲氫關(guān)系到儲氫研究的方向。因此，研究碳納米管儲氫就顯得十分重要。究碳納米管儲氫就顯得十分重要。 氫的儲存與運輸氫的儲存與運輸碳納米管儲氫碳納米管儲氫碳納米管儲碳納米管儲氫示意圖氫示意圖17類類 型型典型技術(shù)典型技術(shù)體積密度體積密度重量密度重量密度備備 注注物理物理方法方法液態(tài)氫液態(tài)氫71/37 g/l5wt%20K,能耗大能耗大高壓氫高壓氫39/24 g/l3.3wt%RT,70MPa大比表吸附劑大比表吸附劑1wt%80K納米碳管納米碳管100 g/l4wt%30%NaBH4溶液溶液氫的儲存與運輸氫的儲存與運輸儲存方法儲存方法18不同儲氫方式的比較不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：氣態(tài)儲

11、氫：能量密度低能量密度低不太安全不太安全液化儲氫：液化儲氫：能耗高能耗高對儲罐絕熱性能要求高對儲罐絕熱性能要求高19固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：固態(tài)儲氫的優(yōu)勢： 體積儲氫容量高體積儲氫容量高 無需高壓及隔熱容器無需高壓及隔熱容器 安全性好，無爆炸危險安全性好，無爆炸危險1) 可得到高純氫，提高氫的附可得到高純氫，提高氫的附加值加值不同儲氫方式的比較不同儲氫方式的比較2021體積比較體積比較不同儲氫方式的比較不同儲氫方式的比較儲儲氫材料氫材料(Hydrogen storage materials)是是在通常條件下在通常條件下的的特種材料特種材料。儲氫儲氫材料的作用材料的作用相當(dāng)于相當(dāng)于。什么是儲氫材料什么是

12、儲氫材料22金屬氫化物儲氫特點金屬氫化物儲氫特點 反應(yīng)可逆反應(yīng)可逆 氫以原子形式儲存，固態(tài)儲氫，安全可靠氫以原子形式儲存，固態(tài)儲氫，安全可靠 較高的儲氫體積密度較高的儲氫體積密度Abs.Des.M + x/2H2MHx + H 在室溫和常壓條件下在室溫和常壓條件下能迅速能迅速吸氫吸氫(H2)并反應(yīng)生成并反應(yīng)生成氫化物氫化物，使氫以，使氫以貯存起來，在需要的時候，適貯存起來，在需要的時候，適當(dāng)當(dāng)使這些貯存著的氫釋放使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。出來以供使用。23Position for H occupied at HSM Hydrogen on Tetrahedral Sites Hydro

13、gen on Octahedral Sites金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫2425金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫26鎂在地殼中藏量豐富。鎂在地殼中藏量豐富。MgH2是是可供工業(yè)利用的可供工業(yè)利用的二元化合物二元化合物，而且具有，而且具有。MgH2缺點：缺點：釋放溫度高釋放溫度高且且速度慢速度慢，抗抗腐蝕能力差腐蝕能力差。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫27新開發(fā)的新開發(fā)的Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，F(xiàn)e， Co) 和和Mg2-xMxNi (Al， Ca) 比比MgH2的性能好。的性能好。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫28的的潛在應(yīng)用潛在應(yīng)用在于可在于可，工業(yè)廢熱提工業(yè)廢熱提供氫化物

14、分解所需的熱量供氫化物分解所需的熱量。目前，目前， 系合金在系合金在方面的應(yīng)用已成為一個重要的研究方向。方面的應(yīng)用已成為一個重要的研究方向。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫29人們很早就發(fā)現(xiàn)，人們很早就發(fā)現(xiàn)，與與反應(yīng)反應(yīng)生成生成REH2，這種氫化物這種氫化物加熱到加熱到1000以上以上才會分解。才會分解。而在而在中加入某些第二種金屬形中加入某些第二種金屬形成成后，后，在較低溫度下在較低溫度下也可也可，通，通常將這種合金稱為常將這種合金稱為。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫30在已開發(fā)的一系列在已開發(fā)的一系列中，中，性能最佳性能最佳，應(yīng)用也最為廣泛應(yīng)用也最為廣泛。已擴(kuò)大到已擴(kuò)大到能源能源、化工化工、電子

15、電子、宇航宇航、軍事軍事及及民用民用各各個方面。個方面。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫31典型的貯氫合金典型的貯氫合金是是1969年年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對了人們對的研究。的研究。 金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫32以以為代表的為代表的稀土儲氫合金稀土儲氫合金被認(rèn)為是被認(rèn)為是所有儲氫合金中應(yīng)用性能最好的一類所有儲氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。 ：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸-放氫放氫性能優(yōu)良。性能優(yōu)良。20時氫分解壓僅幾個大氣壓。時氫分解壓僅幾個大氣壓。：鑭價格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。：鑭價格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。金屬

16、氫化物儲氫金屬氫化物儲氫33Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe： 價廉價廉，儲氫量大儲氫量大，室溫氫分，室溫氫分解壓只有幾個大氣壓，很合乎使用要求。解壓只有幾個大氣壓，很合乎使用要求。但是但是活化困難活化困難，易中毒易中毒。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫34Ti-Mn：粉化嚴(yán)重粉化嚴(yán)重，中毒再生性差中毒再生性差。添。添加少量其它元素加少量其它元素(Zr, Co, Cr, V)可進(jìn)一步改善可進(jìn)一步改善其性能。其性能。其中，其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4 具有很好

17、的儲氫性能。具有很好的儲氫性能。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫35具有具有吸氫量高吸氫量高，反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快，易活化易活化，無滯后效應(yīng)無滯后效應(yīng)等優(yōu)點。等優(yōu)點。但是，但是，氫化物生成熱大氫化物生成熱大，吸放氫平臺壓吸放氫平臺壓力低力低，價貴價貴，限制了它的應(yīng)用。，限制了它的應(yīng)用。 ZrV2，ZrCr2，ZrMn2， Ti17Zr16Ni39V22Cr7 金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫碳納米管；碳納米管； 1997.3 單壁碳納米管中的儲氫單壁碳納米管中的儲氫 nature 1999.7 堿摻雜的碳納米管在常壓常溫下的高吸氫堿摻雜的碳納米管在常壓常溫下的高吸氫量量science 1999.11室

18、溫下在單壁碳納米管上的儲氫室溫下在單壁碳納米管上的儲氫science5wt%20wt% 2010.2 回顧碳納米管儲氫回顧碳納米管儲氫carbon19982010，CNTS儲氫量逐年下降儲氫量逐年下降 物理吸附達(dá)到的儲氫密度有限，物理吸附達(dá)到的儲氫密度有限，1wt%碳納米管儲氫碳納米管儲氫3637納米碳管儲氫-美學(xué)者Dillon1997首開先河單壁納米碳管束TEM照片多壁納米碳管TEM照片38納米碳管吸附儲氫：Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR，RT，10MPa

19、)39氫含量比較氫含量比較0123450123454.2wt%Carbon nanotube(RT,10MPa 氫壓)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogen storage capacity (wt%) LaNi5H6 TiFeH1.9 Mg2NiH4 Hydrogen storage capacity (wt%) per weight不同儲氫材料的比較不同儲氫材料的比較氫能社會構(gòu)想氫能社會構(gòu)想40燃料電池燃料電池(Fuel Cell) 燃料電池是一種化學(xué)電池，它燃料電池是一種化學(xué)電池，它利用物質(zhì)發(fā)生利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋出的能量，直接將其變換為電化學(xué)反應(yīng)時釋出的能量，直接將其

20、變換為電能能。從這一點看，它和其他化學(xué)電池如錳干。從這一點看，它和其他化學(xué)電池如錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作電池、鉛蓄電池等是類似的。但是，它工作時需要時需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反應(yīng)的物連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反應(yīng)的物質(zhì)）質(zhì)）-燃料和氧化劑燃料和氧化劑，這又和其他普通化學(xué)，這又和其他普通化學(xué)電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學(xué)反電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。料電池。41能量轉(zhuǎn)化能量轉(zhuǎn)化獲得電力獲得電力需要空需要空氣資源氣資源將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置基于電化學(xué)原理

21、基于電化學(xué)原理利用空氣提供氧燃料利用空氣提供氧燃料能量轉(zhuǎn)化能量轉(zhuǎn)化獲得電力獲得電力利用空利用空氣資源氣資源What is a fuel cell?燃料電池是一種通過氫和氧非燃燒反燃料電池是一種通過氫和氧非燃燒反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。燃料電池燃料電池(Fuel Cell)42燃料電池與普通蓄（干）電池的區(qū)別：燃料電池與普通蓄（干）電池的區(qū)別：普通電池普通電池是將儲存在一定容器是將儲存在一定容器內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。燃料電池燃料電池是一種將外部供給的是一種將外部供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能持續(xù)燃料和氧化劑中的化學(xué)能持續(xù)

22、不斷的轉(zhuǎn)化成電能的裝置。不斷的轉(zhuǎn)化成電能的裝置。燃料電池燃料電池(Fuel Cell)43氫燃料電池本質(zhì)是水電解的氫燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆逆”裝裝置，主要由置，主要由3 部分組成，即部分組成，即陽極、陰陽極、陰極、電解質(zhì)極、電解質(zhì)。其。其陽極為氫電極，陰極陽極為氫電極，陰極為氧電極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)。質(zhì)。 44陽極：H2 = 2H+ + 2e陰極： 2H+ + 1/2O2 + 2e = H2O總反應(yīng)： H2 + 1/2O2

23、= H2O E= 1.23 V 45以質(zhì)子交換膜燃料電池（以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下：）為例，其工作原理如下：(1) 氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極；氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極；(2) 在陽極催化劑的作用下，在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子解離為個氫分子解離為 2 個氫質(zhì)個氫質(zhì)子，并釋放出子，并釋放出 2 個電子，個電子，陽極反應(yīng)陽極反應(yīng)為：為： (3) 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍逶陔姵氐牧硪欢?，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過到達(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達(dá)陰極的

24、電子發(fā)生反應(yīng)生成水，外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)陰極反應(yīng)為：為： eHH222OHeHO22222/1OHOH2222/1電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。 總的化學(xué)反應(yīng)總的化學(xué)反應(yīng)為：為：46 燃料電池并不是什么新的發(fā)明，自燃料電池并不是什么新的發(fā)明，自1839年年W.R.Grove制作了第一只燃料電池和制作了第一只燃料電池和1959年年F.T.Bacon制作了第制作了第一只實用型

25、燃料電池，對燃料電池的研究已有一百七一只實用型燃料電池，對燃料電池的研究已有一百七十多年的歷史，但是直到十多年的歷史，但是直到20世紀(jì)世紀(jì)90年代才實現(xiàn)真正技年代才實現(xiàn)真正技術(shù)上的突破。術(shù)上的突破。 “燃料電池燃料電池”這個名稱是蒙德（這個名稱是蒙德（Mond）和萊格（）和萊格（Langer）在）在1889年首次采用的。年首次采用的。 由于一種能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置由于一種能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的問世，使人們對燃料電池的興趣推遲了大約問世，使人們對燃料電池的興趣推遲了大約60年，當(dāng)年，當(dāng)時制約燃料電池研究的另一個原因是電化學(xué)熱力學(xué)方時制約燃料電池研究的另一個原因是電化學(xué)熱

26、力學(xué)方面有進(jìn)展而電極反應(yīng)動力學(xué)方面沒有進(jìn)展。面有進(jìn)展而電極反應(yīng)動力學(xué)方面沒有進(jìn)展。47 二十世紀(jì)六十年代，燃料電池為宇宙開發(fā)作出了貢獻(xiàn)二十世紀(jì)六十年代，燃料電池為宇宙開發(fā)作出了貢獻(xiàn)。用瓶裝的純氫和純氧作燃料，用氫氧化鉀作為電解。用瓶裝的純氫和純氧作燃料，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)構(gòu)成的燃料電池，為雙子星和阿波羅等宇宙飛船提質(zhì)構(gòu)成的燃料電池，為雙子星和阿波羅等宇宙飛船提供了電源。然后，燃料電池研制開始盛行。供了電源。然后，燃料電池研制開始盛行。48 熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） 固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC） 磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC） 堿性燃料電

27、池（堿性燃料電池（AFCS） 質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 49u 熔融碳酸鹽燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）使用）使用熔融態(tài)碳酸鹽熔融態(tài)碳酸鹽作為電解質(zhì)作為電解質(zhì)材料。材料。u 固體氧化物燃料電池（固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種全固體燃料電池，其中）是一種全固體燃料電池，其中電解質(zhì)是電解質(zhì)是復(fù)合氧化物復(fù)合氧化物，最常見的是氧化釔或氧化鈣參雜的氧化鋯，最常見的是氧化釔或氧化鈣參雜的氧化鋯陶瓷。這種材料在陶瓷。這種材料在高溫下具有離子導(dǎo)電性，高溫下具有離子導(dǎo)電性，因為摻雜的復(fù)合氧化因為摻雜的復(fù)合氧化物形成了氧離子晶格空格，在電位差和濃度差的驅(qū)動下，氧離子物形

28、成了氧離子晶格空格，在電位差和濃度差的驅(qū)動下，氧離子可以在其中遷移?？梢栽谄渲羞w移。u 磷酸燃料電池（磷酸燃料電池（PAFC）是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料）是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。這種電池使用電池。這種電池使用液體磷酸液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。u 堿性燃料電池（堿性燃料電池（AFCS）使用如）使用如氫氧化鉀氫氧化鉀在水中的堿性電解液。在水中的堿性電解液。u 質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 使用使用質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)作為電解質(zhì)材料。材料。50低溫燃料電池（低溫燃料電池（60120） 中溫燃料電池中溫

29、燃料電池(160220) 高溫燃料電池高溫燃料電池(6001000) 類型類型 AFC堿性燃料電池堿性燃料電池 PEMFC質(zhì)子交換燃料質(zhì)子交換燃料電池電池PAFC磷酸燃料電池磷酸燃料電池 MCFC熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料電池電池 SOFC固態(tài)氧燃料電固態(tài)氧燃料電池池 特性特性 無污染無污染,電效率電效率高制造費用非常高制造費用非常貴貴,不適合于工不適合于工業(yè)應(yīng)用少維護(hù)業(yè)應(yīng)用少維護(hù)污染排放在很污染排放在很低的水平低的水平,低噪低噪音音,固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)適合于大規(guī)模適合于大規(guī)模生產(chǎn)生產(chǎn),與常規(guī)技與常規(guī)技術(shù)相比很貴術(shù)相比很貴低污染低污染, 低噪低噪音音,是熱電聯(lián)產(chǎn)是熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的三倍費電廠的三倍

30、費用用, 隨著連隨著連續(xù)運行電效率續(xù)運行電效率降低降低有效利用能源有效利用能源, 低噪音低噪音,沒有外沒有外部氣體配置部氣體配置, 腐腐蝕性電解液蝕性電解液燃料適應(yīng)性廣、燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、高、全固態(tài)、模塊化組裝、模塊化組裝、零污染零污染電解體電解體氫氧化鉀溶液氫氧化鉀溶液 質(zhì)子可滲透膜質(zhì)子可滲透膜 磷酸磷酸 鋰和碳酸鉀鋰和碳酸鉀 固體氧化物固體氧化物 燃料燃料純氫純氫 氫，甲醇天然氫，甲醇天然氣氣 天然氣，氫天然氣，氫 天然氣煤氣天然氣煤氣沼氣沼氣 天然氣煤氣天然氣煤氣沼氣沼氣 氧化劑氧化劑純氧純氧大氣中的氧氣大氣中的氧氣 大氣中的氧氣大氣中的氧氣 大氣中的氧氣

31、大氣中的氧氣 大氣中的氧氣大氣中的氧氣 系統(tǒng)的電效率系統(tǒng)的電效率 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% 51PEM Fuel Cells (PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池Proton Exchange Membrane（質(zhì)子交換膜）（質(zhì)子交換膜）l 被認(rèn)為最有商業(yè)運用前景的燃料電池被認(rèn)為最有商業(yè)運用前景的燃料電池l 重量輕，能源密度高重量輕，能源密度高l 無運動電極部件，低腐蝕無運動電極部件，低腐蝕l 低運行溫度，低運行溫度，60-80 度為主要運行溫度度為主要運行溫度l 快速啟動，時頻響應(yīng)快快速啟動，時頻響應(yīng)快l 應(yīng)用于可攜帶電源、小型固定能源站、應(yīng)用于

32、可攜帶電源、小型固定能源站、 交通運輸交通運輸l 輸出功率范圍由輸出功率范圍由 1 瓦瓦 至至300 千瓦千瓦52PEMFC 工作原理工作原理 目前，電催化劑均為目前，電催化劑均為“鉑，鉑，Pt”，貴，貴，nm級。級。 CO、S 是其是其克星克星，十萬之幾（，十萬之幾（10-5），就可使），就可使鉑嚴(yán)重中毒鉑嚴(yán)重中毒， 大大降低電池性能及壽命大大降低電池性能及壽命-eHH22OHeHO222221陽陽極極陰陰極極催催化化劑劑53MEA is the heart of fuel cell. MEA causes essential reactions to be happened between

33、 hydrogen and oxygen that produces electricity. 由由membrane electrode assembly (MEA膜電極組件，或三膜電極組件，或三合一組件合一組件) and two flow field plates（流（流場板）組成場板）組成PEMFC 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)54PEMFC 單電池及電堆單電池及電堆(Source: Singapore GasHub and FAC )55燃料電池的主要用途燃料電池的主要用途 原則上，凡是需要動力的地方，均可以采原則上，凡是需要動力的地方，均可以采用燃料電池。用燃料電池。交通運輸動力：汽車，輪船，飛機(jī)交通運輸

34、動力：汽車，輪船，飛機(jī)可攜帶能源：手提電腦，手機(jī)可攜帶能源：手提電腦，手機(jī)固定地面站點：發(fā)電站，家庭能源動力固定地面站點：發(fā)電站，家庭能源動力56575859氫燃料電池車的工作原理氫燃料電池車的工作原理 將氫氣送到燃料電池的陽極板將氫氣送到燃料電池的陽極板(負(fù)極負(fù)極)，經(jīng)過催化劑，經(jīng)過催化劑(鉑鉑)的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子電子的氫離子(質(zhì)子質(zhì)子)穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板陰極板(正極正極)，而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這，而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，這個電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，個電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板氧原子和氫離子重新結(jié)