1、第五章 氫能8/1/20221內(nèi)容提要5.1概述5.2 氫的制取5.3 氫的儲(chǔ)存5.4 氫的利用5.5 氫能安全5.6 氫能應(yīng)用展望8/1/20222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！（科技日?qǐng)?bào)，2004年2月25日，第二版）化石能源的使用正在給地球造成巨大的生態(tài)災(zāi)難溫室效應(yīng)、酸雨等嚴(yán)重威脅地球動(dòng)植物的生存！ 人類的出路何在？新能源研究勢(shì)在必行！5.1概述8/1/20223氫能開發(fā)，大勢(shì)所趨氫是自然界中最普遍的元素，資源無窮無盡不存在枯竭問題氫的熱值高，燃燒產(chǎn)物是水零排放，無污染 ，可循環(huán)利用氫能的利用途徑多燃燒放熱或電化學(xué)發(fā)

2、電氫的儲(chǔ)運(yùn)方式多氣體、液體、固體或化合物5.1概述8/1/20224體積比較1巴(bar)=100,000帕(pa)=10牛頓/平方厘米=0.1Mpa 8/1/202255.1概述氫的發(fā)現(xiàn)： 1766年卡文迪許向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了一篇研究報(bào)告人造空氣實(shí)驗(yàn)，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”（即氫氣），并正確描述了氫的性質(zhì)。1931年，哈羅德.尤里發(fā)現(xiàn)氘。后來英美化學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了氚。 8/1/20226氫能優(yōu)點(diǎn)（1）熱值高：氫的燃燒熱大約是汽油的3倍，焦炭的 4.5倍；（2）資源豐富：地球表面有豐富的水資源，水中含 氫量達(dá)11.1；（3）不產(chǎn)生二次污染：燃燒后生成水，干凈、無毒；

3、（4）應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)：如可作為燃料電池發(fā) 電，用于氫能汽車、化學(xué)熱泵等 。5.1 概述8/1/20227氫能的應(yīng)用二戰(zhàn)期間，用作A-2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑1960年液氫首次用作航天動(dòng)力燃料1970年阿波羅登月飛船起飛火箭的燃料航天領(lǐng)域的常用燃料超音速飛機(jī)和遠(yuǎn)程洲際客機(jī)燃料氫燃料汽車液氫燃料鐵路機(jī)車8/1/20228氫的制取氫能是一種二次能源，在人類生存的地球上，雖然氫是最豐富的元素，但自然氫的存在極少。因此必須將含氫物質(zhì)分解后方能得到氫氣。最豐富的含氫物質(zhì)是水（H2O），其次就是各種礦物燃料（煤、石油、天然氣）及各種生物質(zhì)等。因此要開發(fā)利用氫能這種理想的清潔能源，必須首先開發(fā)氫源，即研

4、究開發(fā)各種制氫的方法。 8/1/20229 1) 天然氣制氫2) 煤制氫3) 水電解制氫 4) 生物質(zhì)制氫5) 太陽能制氫 6) 核能制氫 7) 等離子化學(xué)法制氫5.2 制氫方法8/1/2022105.2.1天然氣制氫1）部分氧化重整制氫(直接部分氧化和催化氧化) CH4+1/2O2-CO+2H2+35.5 kJ 反應(yīng)放出少量的熱，但反應(yīng)條件較苛刻且純氧需要 空分設(shè)備來制取。2) 催化熱裂解制造氫氣 CH4-C+2H2新方法：3）新催化劑的開發(fā)，沸石和鉬催化劑 6CH4-苯+9H28/1/2022115.2.2煤制氫以煤為原料制取含氫氣體的方法主要有兩種：煤的焦化（高溫干餾）、煤的氣化（氣化劑

5、為水蒸氣或空氣）。煤制氫的核心是煤氣化技術(shù)： 有煤催化氣化法和煤超臨界水氣化法 C+H2O-CO+H2 CO+H2O-CO2+H2包括三個(gè)過程，造氣反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)、氫的提純和壓縮煤氣化爐凈化裝置CO變換CO2分離CO2儲(chǔ)存變壓吸附水蒸氣空氣分離尾氣處理硫份H2灰分空氣8/1/2022125.2.3 水電解制氫水電解制氫產(chǎn)品純度高，操作簡(jiǎn)便。水電解制氫的原理：4e-+4H2O-2H2+4OH-4OH-O2+2H2O+4e- 電解定律： n化學(xué)當(dāng)量，法拉第常數(shù)，電流，通電時(shí)間, G化學(xué)反應(yīng)物生成的量。 電解電壓： n-反應(yīng)物質(zhì)的當(dāng)量數(shù)，或電極反應(yīng)中電子得失的數(shù)目 E電動(dòng)勢(shì) F法拉第常數(shù)n8/

6、1/202213 5.2.4 生物質(zhì)制氫 微生物轉(zhuǎn)化制氫：利用微生物在常壓常溫下，通過酶的催化作用制氫，包括厭氧發(fā)酵有機(jī)物制氫和光合微生物制氫 1.厭氧發(fā)酵有機(jī)物制氫 發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌生物質(zhì)的利用主要有微生物轉(zhuǎn)化和熱化工轉(zhuǎn)化兩類8/1/2022142. 光合微生物制氫 光解產(chǎn)氫微生物8/1/2022151、光解產(chǎn)氫生物（綠藻、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌） 藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌產(chǎn)氫能力是綠藻的，無研發(fā)價(jià)值，而綠藻產(chǎn)氫效率也不高，研發(fā)緩慢。2 、發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌三大優(yōu)點(diǎn)：a. 產(chǎn)氫能力和菌種生長(zhǎng)速度高于光合產(chǎn)氫菌種。b. 無需光源，操作管理簡(jiǎn)便。c. 發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌來源廣，成本低。5.2.4 生物質(zhì)制氫8/1/20221

7、6熱化工轉(zhuǎn)化是將生物質(zhì)放在氣化爐或裂解爐中，通過熱化學(xué)反應(yīng)，氣化或裂解轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法。生物質(zhì)CxHyOz 柴油、汽油、甲醇等 氫氣內(nèi)燃機(jī)（IEC）燃料電池（FC）5.2.4 生物質(zhì)制氫 熱化工轉(zhuǎn)化氣化爐裂解爐8/1/2022175.2.5 太陽能制氫隨著新能源的崛起，以水作為原料利用核能和太陽能來大規(guī)模制氫已成為世界各國(guó)共同努力的目標(biāo)。其中太陽能制氫最具吸引力，也最有現(xiàn)實(shí)意義。以水為原料，利用光能制氫的方法，是最有前途的方法。8/1/202218制氫 氫能利用一次能源電池汽車熱泵傳感器電解、光催化氫能的儲(chǔ)存與輸送太陽能制氫：利用太陽能，到海水中取氫。 大量制氫是最有希望的方向5.2.5太

8、陽能制氫8/1/2022191）太陽能電解水制氫（太陽能光伏電池-電解水制氫） 由于太陽能光伏電池電的轉(zhuǎn)化效率較低，價(jià)格非常昂貴，無法與常規(guī)能源制氫相競(jìng)爭(zhēng)。2）太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫 太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制取氫氣技術(shù)，就是利用太陽能集熱器將太陽能聚集起來產(chǎn)生高溫，推動(dòng)以水和金屬氧化物、硫化物或溴化物為原料的熱化學(xué)反應(yīng)制取氫氣的過程。原理：利用高溫下金屬氧化物、硫化物或溴化物分解的強(qiáng)吸熱反應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；較低溫度下經(jīng)過熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，使水分解制得氫氣。 5.2.5太陽能制氫已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)8/1/202220C2H5OH CH3CHO+H2 +41kJ/mol由于乙醇不直接吸收光，

9、須加入光敏劑，二苯（甲）酮3）太陽能光化學(xué)制氫4）太陽能熱解水制氫 太陽爐可以實(shí)現(xiàn)3000 以上的高溫，而熱解水分解產(chǎn)生氫氣需2000 的高溫，目前制約因素主要是造價(jià)和材料設(shè)備。8/1/2022215）太陽能-光催化劑制氫5.2.5 太陽能制氫催化劑設(shè)計(jì)的思路：抑制逆反應(yīng)即電子-孔穴的再結(jié)合水的電解電壓：1.3 eV8/1/202222最常用的光催化劑是TiO2禁帶寬度3.2eV8/1/202223入射光能量等于或大于半導(dǎo)體帶隙(Eg)時(shí)，電子受激，從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，形成光電子，而空穴則留在價(jià)帶中。其中，大部分光生電子和空穴以發(fā)光或放熱的形式在半導(dǎo)體體相或在表面復(fù)合。部分光生電子遷移到半導(dǎo)體表面

10、，和空穴一起分別還原和氧化吸附在TiO2表面的H2O，生成H2和O2。8/1/2022248/1/202225納米TiO2空心球空心球結(jié)構(gòu)有利于浮于水面更好接收太陽光8/1/2022266）太陽能光電化學(xué)分解水制氫陽極：TiO2半導(dǎo)體電極8/1/2022275.2.6 核能制氫 核能制氫是利用高溫反應(yīng)堆或核反應(yīng)堆的熱能來分解水制氫的方法。 實(shí)質(zhì)上，核能制氫是一種熱化學(xué)循環(huán)分解水的過程。目前涉及高溫或熱反應(yīng)堆的熱能的制氫方法，按照涉及 的物料可分為氧化物體系，鹵化物體系和含硫體系。8/1/2022285.6.7 等離子化學(xué)法制氫 在物質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)以后，如果從外界繼續(xù)得到能量，到一定程度后，它可以進(jìn)

11、一步分裂為帶負(fù)電的電子和帶正電的離子，即原子或分子發(fā)生了電離。電離使帶電粒子濃度超過一定數(shù)量后，氣體的行為雖然仍與平常的流體相似，但中性粒子的作用開始退居到次要地位，帶電粒子的作用成為主導(dǎo)的，整個(gè)物質(zhì)表現(xiàn)出一系列新的性質(zhì)。像這樣部分或完全電離的氣體，其中自由電子和正離子所帶的負(fù)、正電荷量相等，整體又呈電中性，而行為受電磁場(chǎng)影響，稱為“等離子體”。因?yàn)槲镔|(zhì)的固、液、氣態(tài)都屬于“聚集態(tài)”，所以從聚集態(tài)的順序來說，也常常把“等離子態(tài)”稱為物質(zhì)的第四態(tài)。 所有的烴類都可作為等離子化學(xué)法制氫的原料，產(chǎn)物為炭和氫8/1/2022291、常壓儲(chǔ)氫2、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫3、冷液化儲(chǔ)氫4、金屬氫化物5、吸附儲(chǔ)氫密度高

12、、但能耗大、且有自然揮發(fā)5.3 氫氣的儲(chǔ)存8/1/202230在常壓和20K溫度下，氣態(tài)氫可液化為液態(tài)氫，液態(tài)的密度是氣態(tài)氫的845倍。深冷液化貯氫，其體積能量密度高，儲(chǔ)存容器體積小。 液化儲(chǔ)存面臨兩個(gè)主要難題： 氫氣的深冷液化能耗高； 液氫的儲(chǔ)存和保養(yǎng)問題：由于液氫儲(chǔ)器內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度的溫差大 (253土25)，給液氫的保冷、防止揮發(fā)、儲(chǔ)器材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等提出了苛刻的要求。冷液化儲(chǔ)氫8/1/202231氫的存儲(chǔ)：氣體氫：液態(tài)氫： 儲(chǔ)存 難題儲(chǔ)氫密度遠(yuǎn)高于氣態(tài)，但氫氣的液化溫度為-252.6，液化過程耗費(fèi)大量的能源，需采用超低溫的特殊容器，價(jià)格昂貴主要用高壓鋼瓶，儲(chǔ)氫量小，儲(chǔ)氫密度

13、低，使用不方便解決方式：研發(fā)儲(chǔ)氫材料8/1/202232儲(chǔ)氫材料應(yīng)具備的條件1、儲(chǔ)氫量大：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積儲(chǔ)氫量大2、平衡氫壓適當(dāng)：最好在室溫附近只有幾個(gè)大氣 壓，便于儲(chǔ)氫和放氫。且P-C-T曲線有良 好的平坦區(qū)，平坦區(qū)越寬，傾斜程度越 小，在該區(qū)域稍微改變壓力，就能吸收和 釋放較多的氫氣；3、金屬氫化物的生成熱要適當(dāng)，若生成熱太高， 生成的金屬氫化物過于穩(wěn)定，釋氫時(shí)就需要較 高的溫度。8/1/202233 一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會(huì)分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。這些會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱為

14、儲(chǔ)氫合金。儲(chǔ)氫合金8/1/202234金屬氫化物儲(chǔ)氫原理某些過渡金屬、合金、金屬間化合物，由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)等原因，在一定條件下，氫原子比較容易進(jìn)入金屬晶格的四面體或八面體間隙中，形成金屬氫化物，可儲(chǔ)存比其體系大10001300倍的氫。當(dāng)金屬氫化物受熱時(shí)，又可釋放出氫氣。優(yōu)點(diǎn)：可儲(chǔ)存相當(dāng)于合金自身體積上千倍的氫氣，吸氫密度超過液態(tài)氫和固態(tài)氫密度，輕便安全。8/1/202235金屬氫化物儲(chǔ)氫原理氫能與許多金屬、合金或金屬間化合物反應(yīng)生成金屬氫化物，并釋放出熱量；金屬氫化物受熱時(shí)，又釋放出氫氣，反應(yīng)式為： M含氫固溶體H反應(yīng)熱P1,T1吸氫時(shí)體系所需的壓力和溫度P2,T2釋氫時(shí)體系所需的壓力和溫

15、度8/1/202236儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。單位體積儲(chǔ)氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍。儲(chǔ)氫合金都是固體，需要用氫時(shí)通過加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。目前研究發(fā)展中的儲(chǔ)氫合金，主要有鈦系儲(chǔ)氫合金、鋯系儲(chǔ)氫合金、鐵系儲(chǔ)氫合金及稀土系儲(chǔ)氫合金。8/1/202237貯氫合金的分類（按合金系統(tǒng)）貯氫合金材料 鎂系貯氫合金稀土貯氫合金鈦系貯氫合金 鋯系貯氫合金 鈣系貯氫合金 8/1/202238貯氫合金材料 貯氫合金的分類（按化合物的類型）AB5型稀土類及鈣系貯氫合金 AB2型Laves相貯氫合金 AB型鈦系貯氫合金 A2B型鎂系貯氫合金 8

16、/1/202239儲(chǔ)氫材料的類型 稀土鑭鎳系、鈦鐵系、鎂系、鈦/鋯系LaNi5(s) + 3H2(g) LaNi5H6(s)TiFe(s) + H2(g) TiFeH2(s)Mg2Ni(s) + 3H2(g) MgH2(s) + NiMgH4(s) 8/1/202240LaNi5儲(chǔ)氫合金(金屬間化合物)：荷蘭Philips實(shí)驗(yàn)室首先研制LaNi5H6六方結(jié)構(gòu) (氫原子占據(jù)晶格的四面體間隙)8/1/202241TiFe金屬間化合物:美Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室TiFe金屬間化合物結(jié)構(gòu)(CsCl結(jié)構(gòu))8/1/202242以鋯為A組元的儲(chǔ)氫合金： ZrV2, ZrCr2, ZrCo2, ZrFe

17、2等 AB2型合金的結(jié)構(gòu)模型 (立方C14或六方C15晶系)c15A組元B組元8/1/202243鎂系：美Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)：儲(chǔ)氫容量高資源豐富價(jià)格低廉放氫溫度高（250300 ）放氫動(dòng)力學(xué)性能較差8/1/202244改善：多元合金化，如Mg-Ni, Mg-Cu, Mg-La, Mg-Al等 二元系為基的三元、多元合金。Mg2Ni六方晶格四方晶格8/1/202245貯氫合金材料 優(yōu)點(diǎn)：吸氫量大平衡壓力適中而平坦放氫快，滯后小容易活化，室溫下即可活化具有良好的抗雜質(zhì)氣體中毒性缺點(diǎn)：成本高，大規(guī)模使用受到限制吸放氫過程中晶胞體積膨脹大8/1/202246儲(chǔ)氫合金在應(yīng)用時(shí)還存在以下問

18、題：對(duì)氣體雜質(zhì)的高度敏感性；初始活化困難；氫化物在空氣中自燃；反復(fù)吸釋氫時(shí)氫化物產(chǎn)生歧化。新型儲(chǔ)氫材料的開發(fā)：如非晶態(tài)合金、過渡金屬絡(luò)合物及一些非金屬材料。8/1/202247活性炭?jī)?chǔ)氫1）活性炭?jī)?chǔ)氫年發(fā)現(xiàn)活性炭在K和4.15時(shí)下，可獲得的吸氫量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。年，Orimo發(fā)現(xiàn)液氮下，某些石墨可以吸附的氫 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 。年，天津大學(xué)周理教授開發(fā)一種活性炭復(fù)合物理方法，壓片，、下可獲得的儲(chǔ)氫量。）活性炭?jī)?chǔ)存天然氣 目前北京市天然氣的存儲(chǔ)壓力為，而采用活性炭的吸附存儲(chǔ)壓力可大大降低，約為3.5。 目前最具存儲(chǔ)潛力的是活性炭纖維，它的優(yōu)點(diǎn)有：總表面大計(jì)及微孔豐富；吸附和解吸速度快；通氣性佳，低粉

19、塵、量輕，容易制成各種形狀。8/1/202248活性炭具有較高的比表面積，尤其是優(yōu)質(zhì)活性炭的比表面積可達(dá)2000m2g以上，利用低溫加壓可吸附儲(chǔ)氫。活性炭吸附儲(chǔ)氫如：在-120、5.5MPa下，活性炭?jī)?chǔ)氫量高 達(dá)9.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。特點(diǎn)：活性炭吸附儲(chǔ)氫器體積比金屬氫 化物儲(chǔ)氫體系稍大；活性炭原料易得；吸附儲(chǔ)氫和脫氫操作比較簡(jiǎn)單；投資費(fèi)用較低。 活性碳8/1/202249納米碳儲(chǔ)氫1）納米碳的發(fā)現(xiàn)年Carl, Smalley, Kroto發(fā)現(xiàn)C60,富勒烯或巴基球。 1991年Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管納米碳管的制備方法 a. 電弧放電法 b. 激光蒸發(fā)法c. 化學(xué)氣相沉積法 d. 火焰法8/1

20、/202250富勒烯(C60)和碳納米管(CNT)對(duì)氫氣具有較強(qiáng)的吸附作用。富勒烯(C60)高功率激光轟擊石墨，使石墨中的碳原子氣化，用氦氣流把氣態(tài)碳原子送入真空室，迅速冷卻后形成碳原子簇。C60呈球籠狀，是一個(gè)完美對(duì)稱的分子。8/1/202251碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖 碳納米管是由石墨片卷曲而成的中空管狀結(jié)構(gòu)，直徑在零點(diǎn)幾個(gè)納米到幾十納米之間。管壁是一種類似于石墨片的碳六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。8/1/202252納米碳管儲(chǔ)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8/1/202253充、放電原理：充電過程 正極：負(fù)極：放電過程 正極：負(fù)極：負(fù)極：氫化物電極 正極

21、：Ni(OH)2電極電解質(zhì)：堿溶液（KOH水溶液)Ni-MH電池8/1/202254Ni/MHx電池充放電過程示意圖8/1/202255Ni-MH電池優(yōu)點(diǎn)：可吸收高達(dá)本身體積100倍的氫，儲(chǔ)存能力極強(qiáng);鎳氫電池的能量密度比鎳鎘電池大，其容量約為 鎳鎘電池的2倍；用專門的充電器可在一小時(shí)內(nèi)快速充電，內(nèi)阻較 低，一般可進(jìn)行500次以上的充放電循環(huán)，無記 憶效應(yīng)。不含汞和鎘，不必回收，為目前最符合環(huán)保的電 池。8/1/202256Ni-MH 電池與Ni-Cd充電池比較鎳鎘電池(Ni-Cd)優(yōu)點(diǎn)： 可以耐過充電，可重覆約500次的充放電缺點(diǎn)： 充放電時(shí)，陰極會(huì)長(zhǎng)出鎘的針狀 結(jié)晶，有時(shí)會(huì)穿透隔膜而引起

22、內(nèi)部枝狀晶體式的短路； 含有鎘，有毒，必須回收； 有記憶效應(yīng)。8/1/202257缺點(diǎn)：價(jià)格高于鎳鎘電池，性能比鋰電池差。8/1/202258氫汽車一種完全以氫氣作為燃料替代汽油的新 型汽車。氫能汽車類型：放置儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫箱，直接燃燒氫的儲(chǔ)氫箱型；利用鎳氫電池的電動(dòng)型；以燃料電池為動(dòng)力的燃料電池型。8/1/202259儲(chǔ)氫箱8/1/202260儲(chǔ)氫箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖使用兩種儲(chǔ)氫合金作燃料箱8/1/202261據(jù)PhysOrg網(wǎng)2005年10月24日消息，最近一家名為Engineuity的以色列公司發(fā)明了一種能夠在汽車內(nèi)產(chǎn)生氫氣的技術(shù)系統(tǒng)，而且只需要使用鎂和鋁等普通金屬。這一技術(shù)將完全解決汽車在

23、氫氣制造、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面的所有相關(guān)難點(diǎn)。 8/1/2022622005年4月，在上海國(guó)際車展上寶馬集團(tuán)展示了以“寶馬清潔能源”為主題的新型氫能實(shí)驗(yàn)賽車，表明了使用液氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車的可行性和美好前景。寶馬H2R型氫能實(shí)驗(yàn)賽車8/1/202263燃料電池1）定義 一種直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%-80%。2）熱力學(xué)計(jì)算 a. 標(biāo)準(zhǔn)理論可逆電動(dòng)勢(shì) 以水為例： b.實(shí)際電池的電動(dòng)勢(shì)（能斯特方程） c. 電池電壓Er與溫度的實(shí)用關(guān)系為： 8/1/202264燃料電池的基本構(gòu)成8/1/202265燃料電池的基本構(gòu)

24、成8/1/202266燃料電池燃料電池優(yōu)點(diǎn) a. 能量轉(zhuǎn)換效率高，溫差電池效率10%， 太陽電池的效率為20%。 b. 減少大氣污染，普通的火力發(fā)電無法相比。 c. 特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，載人宇宙飛船。 d. 高度的可靠性，模塊化結(jié)構(gòu)，負(fù)載變化時(shí)，響應(yīng)速度快。 e. 比能量高，補(bǔ)充燃料，即可輸出能量。 8/1/202267燃料電池的工作原理燃料電池由陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學(xué)電池類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。燃料氧化劑陽極陰極電 解 質(zhì)導(dǎo)電離子8/1/2022688/1/2022698/1/202270 按電解質(zhì)

25、的類型分： a. 堿性燃料電池(AFC), 以濃KOH為電解質(zhì)。 工作溫度80 b. 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，又稱為固 體聚合物燃料電池。工作溫度在50-100 c. 磷酸燃料電池（PAFC），200 燃料電池。 d. 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），工作溫 度約650 。 e. 固體氧化物燃料電池(SOFC) ，400-1000 。燃料電池的分類8/1/202271堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cells）1）堿性燃料電池原理 陽極反應(yīng)：H2+2OH- - 2H2O+O2 陰極反應(yīng)：1/2O2+H2O+2e- - 2OH- 理論電動(dòng)勢(shì)為：-1.228 V KOH, Na

26、OH為電解質(zhì)2）優(yōu)缺點(diǎn) 堿性介質(zhì)腐蝕的電極材料，CO2易使其中毒。 現(xiàn)已基本被PEMFC取代。各國(guó)相繼停止了對(duì)其研究。1932英劍橋大學(xué)，Bacon制造出，1959年才生產(chǎn)出可工作的5 kW電機(jī)。8/1/202272質(zhì)子膜燃料電池的工作原理8/1/202273磷酸燃料電池（Phorphoric Acid Fuel Cell）1）PAFC原理 陽極反應(yīng)：H2- 2H+2e- 陰極反應(yīng)：1/2O2+2H+6e- - H2O 使用天然氣時(shí)需要重整，分內(nèi)重整和外重整兩種方式2）研究狀況 日本追加2億美元用于MCFC研究，1991年建立30kW, 1992年50-100kW，1997年1MW。 美國(guó)MC

27、P(熔融碳酸鹽能量公司)1993年制成250kW MCFC 荷蘭中斷15年MCFC研究后，1986年又開始研究，其能源中心（ECN）成為歐洲MCFC、SOFC和PEMFC的測(cè)試中心。8/1/202274磷酸燃料電池8/1/202275熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell）1）MCFC原理 陽極反應(yīng)：H2+CO32- 2H2O+CO2+2e- 陰極反應(yīng)：1/2O2+2CO2+2e- - CO32-2）研究狀況 美國(guó)Texas A&M University, California工學(xué)院，英國(guó)Newcastle大學(xué)，意大利CNR-TAE學(xué)院，韓國(guó)能量研究院，中科院

28、長(zhǎng)春應(yīng)化所，中山，清華等。 a. 目前做的最好的是美國(guó)IFC和日本東芝公司 b. 1987年造價(jià)$5500/kW c. 目前對(duì)PAFC的研究興趣日益減少。8/1/202276熔融碳酸鹽燃料電池8/1/202277固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell）1）SOFC原理 通過離子傳導(dǎo)陶瓷將燃料和氧化劑氣體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，也稱陶瓷燃料膜（CFC）。分高溫SOFC和低溫SOFC。 a. 螢石結(jié)構(gòu)：采用氧化釔摻雜的氧化鋯做電解質(zhì)，Y3+從鋯的晶格位置上取代Zr4+,導(dǎo)致晶格缺陷，從而導(dǎo)致離子移動(dòng)。 b. 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：摻雜的鎵酸鑭體系。 陽極反應(yīng)：2O2-+2H2 - 2H

29、2O+4e- 氫氣為燃料 2CO+2O2- - 2CO2+4e- CO為燃料 陰極反應(yīng)：O2+4e- - 2O2-8/1/202278燃料電池的類型堿性燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池8/1/202279燃料電池的類型磷酸型/質(zhì)子交換膜燃料電池 固體氧化物燃料電池8/1/202280直接甲醇燃料電池：使用液態(tài)的甲醇作燃料。它的發(fā)電核心是所謂的膜電極組。MEA包括陽極、陰極與隔離陰陽兩極的高分子薄膜。所產(chǎn)生的鋰離子透過具離子傳導(dǎo)功能的高分子薄膜，傳遞到陰極。所產(chǎn)生的電子流經(jīng)外部電路傳到陰極。在陰極，空氣中的氧氣便與傳遞到陰極的氫離子與電子反應(yīng)，還原成水如(2)式?？偡磻?yīng)便是甲醇與氧反應(yīng)生成水與二氧化

30、碳如(3)式。甲醇燃料電池8/1/202281氫燃料電池氫燃料電池發(fā)電的基本原理：電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。氫燃料電池發(fā)電：將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%80%，而且污染少、噪音小，裝置非常靈活。氫燃料電池與普通電池的區(qū)別：干電池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置，是把電能貯存起來，需要時(shí)再釋放出來；氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝置，把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。8/1/202282氫燃料電池?zé)o污染，只有水排放。用它裝成的電動(dòng)車，稱為“零排放車”；無噪聲，無傳動(dòng)部件，特別適于潛艇中使用；起動(dòng)快，8秒鐘即可

31、達(dá)全負(fù)荷；可以模塊式組裝，即可任意堆積成大功率電站；8/1/202283燃料電池的應(yīng)用小型燃料電池8/1/202284燃料電池的應(yīng)用8/1/202285燃料電池的應(yīng)用8/1/202286英國(guó)公司Angstrom Power公司的氫燃料電池單元，每個(gè)能產(chǎn)生200毫瓦的電力，重量14克。每分鐘消耗50至80毫升氫氣。 8/1/202287燃料電池的應(yīng)用熔融碳酸鹽 2MW燃料電池發(fā)電站8/1/202288燃料電池汽車1）燃料電池公共汽車（FCB） 1993年第一輛燃料電池大客車由加拿大巴拉德公司開發(fā)成功。 全球燃料電池公共汽車量數(shù)年份199319941996199719981999200020012

32、002累計(jì)數(shù)/輛13561416222631全球燃料電池公共汽車地區(qū)分布地區(qū)北美歐洲日本其他累計(jì)數(shù)/輛171211燃料電池公共汽車所用的燃料電池的種類FC類型質(zhì)子交換膜磷酸型堿性鋅空累計(jì)數(shù)/輛254118/1/202289氫能量轉(zhuǎn)折動(dòng)力未來8/1/202290北京奧運(yùn)會(huì)期間的氫能源公交車8/1/2022918/1/202292燃料電池汽車2）燃料電池轎車（FCV） 1993年第一輛燃料電池轎車由戴姆勒-克萊斯勒公司開發(fā)成功。 戴姆勒-克萊斯勒公司燃料電池車進(jìn)展年份燃料車型性能1993H2Necar11995H2Necar2最高時(shí)速110 km1997甲醇Necar31999H2Necar4最高時(shí)速145 km，續(xù)駛里程450 km1999甲醇Jeep Commander2000H2Necar4A甲醇Necar5最高時(shí)速150 km2001H2Natrlum2002H2F-cell2003批量生產(chǎn)燃料電池轎車2004批量生產(chǎn)燃料電池面包車和公共汽車8/1/202293 寶馬7系氫動(dòng)力版 BMW氫能7系裝備了能夠使用液氫燃料和汽油的6.0升V12發(fā)動(dòng)機(jī)，