先進(jìn)材料引論-儲(chǔ)氫材料-燃料電池

1、儲(chǔ) 氫 材 料12能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題 化石能源的有限性與人類需求的無(wú)限性化石能源的有限性與人類需求的無(wú)限性石石油、煤炭等主要能源將在未來(lái)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(lái)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(dòng)植物的生存！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？人類的出路何在？新能源研究勢(shì)在必行！新能源研究勢(shì)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(diǎn)氫能概述及特點(diǎn) 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(shí)質(zhì)上氫是一種二次能源，實(shí)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(shuō)，它只是能量的一種存儲(chǔ)形是一次能源的轉(zhuǎn)換形式。也就是說(shuō)，它只是能量的一種存儲(chǔ)形式。氫能在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)其產(chǎn)物是水式。氫能在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)其產(chǎn)物是水 ，可實(shí)現(xiàn)真正的零排放。，可實(shí)現(xiàn)真正的零排放。作為能源，氫主要有以下主要特點(diǎn)：作為能源，氫主要有以下主要特點(diǎn)：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(wú)毒無(wú)毒，燃燒時(shí)會(huì)生成水和少量，燃燒時(shí)會(huì)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(diǎn)燃快，燃點(diǎn)高，點(diǎn)燃快，燃點(diǎn)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(yùn)及各，能適應(yīng)貯運(yùn)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(shì)所趨氫能開發(fā)，大勢(shì)所趨X 氫是自然界中最普遍的元素，資源無(wú)窮無(wú)氫是自然界中最普遍的元素，資源無(wú)窮無(wú)盡盡不存在枯竭問(wèn)題不存在枯竭問(wèn)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(wú)污零排放，無(wú)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(chǔ)運(yùn)方式多氫的儲(chǔ)運(yùn)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(chǔ)量豐富、無(wú)公害儲(chǔ)量豐富、無(wú)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(duì)環(huán)境保護(hù)極為有利；燃燒后只能生成水，這對(duì)環(huán)境保護(hù)極為有利；氫能開發(fā)，大勢(shì)所趨氫能開發(fā)，大勢(shì)所趨7如果進(jìn)一步如果進(jìn)一步用太陽(yáng)能以海水制氫用太陽(yáng)能以海水制氫，則可實(shí)，則可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)無(wú)公害能

5、源系統(tǒng)無(wú)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(guò)通過(guò)利用過(guò)剩電力利用過(guò)剩電力進(jìn)行進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)能，實(shí)現(xiàn)能源貯存。源貯存。氫能開發(fā)，大勢(shì)所趨氫能開發(fā)，大勢(shì)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(guò)的氫氣是通過(guò)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)?；茪?，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(guò)程生成高純氫氣的技術(shù)?；み^(guò)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(wèn)題。凈化問(wèn)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(diǎn)原料、工藝和特點(diǎn)制氫類型制氫類型原料原料工藝工藝特點(diǎn)特點(diǎn)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(wú)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(jiǎn)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(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。儲(chǔ)儲(chǔ)氫材料就是作為氫材料就是作為儲(chǔ)儲(chǔ)而成為而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。當(dāng)

8、前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。氫的儲(chǔ)存氫的儲(chǔ)存13 高壓氣體鋼瓶是最普通高壓氣體鋼瓶是最普通的儲(chǔ)氫方法，目前的最高氣的儲(chǔ)氫方法，目前的最高氣體壓力為體壓力為22MPa，下一個(gè)目，下一個(gè)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(chǔ)存與運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸高壓氣鋼瓶?jī)?chǔ)氫高壓氣鋼瓶?jī)?chǔ)氫高壓儲(chǔ)氫罐高壓儲(chǔ)氫罐14 液化后存儲(chǔ)在絕熱容器中。這種方法成本高，液化后存儲(chǔ)在絕熱容器中。這種方法成本高，儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)需要消耗儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)需要消耗40%40%的能量，而且儲(chǔ)存液氫要有的能量，而且儲(chǔ)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(huì)釀托瓦瓶。液氫

9、易逸散滲漏，會(huì)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(chǔ)存與運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸液化儲(chǔ)氫液化儲(chǔ)氫液態(tài)儲(chǔ)液態(tài)儲(chǔ)氫罐氫罐15 用某些金屬或合金來(lái)儲(chǔ)存氫。用某些金屬或合金來(lái)儲(chǔ)存氫。氫有一個(gè)奇持的性質(zhì)，它氫有一個(gè)奇持的性質(zhì)，它會(huì)與某些過(guò)渡金屬會(huì)與某些過(guò)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(chǔ)存與運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸金屬及合金儲(chǔ)氫金屬及合金儲(chǔ)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(chǔ)氫關(guān)系到儲(chǔ)氫研究的方向。因此，

10、研納米管能否儲(chǔ)氫關(guān)系到儲(chǔ)氫研究的方向。因此，研究碳納米管儲(chǔ)氫就顯得十分重要。究碳納米管儲(chǔ)氫就顯得十分重要。 氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸碳納米管儲(chǔ)氫碳納米管儲(chǔ)氫碳納米管儲(chǔ)碳納米管儲(chǔ)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(chǔ)存與運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸儲(chǔ)存方法儲(chǔ)存方法18不同儲(chǔ)氫方式的比較不同儲(chǔ)氫方式的比較氣態(tài)儲(chǔ)氫：氣態(tài)儲(chǔ)

11、氫：能量密度低能量密度低不太安全不太安全液化儲(chǔ)氫：液化儲(chǔ)氫：能耗高能耗高對(duì)儲(chǔ)罐絕熱性能要求高對(duì)儲(chǔ)罐絕熱性能要求高19固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)：固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)： 體積儲(chǔ)氫容量高體積儲(chǔ)氫容量高 無(wú)需高壓及隔熱容器無(wú)需高壓及隔熱容器 安全性好，無(wú)爆炸危險(xiǎn)安全性好，無(wú)爆炸危險(xiǎn)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(chǔ)氫方式的比較不同儲(chǔ)氫方式的比較2021體積比較體積比較不同儲(chǔ)氫方式的比較不同儲(chǔ)氫方式的比較儲(chǔ)儲(chǔ)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(chǔ)氫儲(chǔ)氫材料的作用材料的作用相當(dāng)于相當(dāng)于。什么是儲(chǔ)氫材料什么是

12、儲(chǔ)氫材料22金屬氫化物儲(chǔ)氫特點(diǎn)金屬氫化物儲(chǔ)氫特點(diǎn) 反應(yīng)可逆反應(yīng)可逆 氫以原子形式儲(chǔ)存，固態(tài)儲(chǔ)氫，安全可靠氫以原子形式儲(chǔ)存，固態(tài)儲(chǔ)氫，安全可靠 較高的儲(chǔ)氫體積密度較高的儲(chǔ)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(lái)，在需要的時(shí)候，適貯存起來(lái)，在需要的時(shí)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(lái)以供使用。出來(lái)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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫2425金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(diǎn)：缺點(diǎn)：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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(gè)重要的研究方向。方面的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究方向。金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(huì)分解。才會(huì)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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(gè)方面。個(gè)方面。金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(duì)了人們對(duì)的研究。的研究。 金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫32以以為代表的為代表的稀土儲(chǔ)氫合金稀土儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為是被認(rèn)為是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類所有儲(chǔ)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(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。金屬

16、氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫33Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe： 價(jià)廉價(jià)廉，儲(chǔ)氫量大儲(chǔ)氫量大，室溫氫分，室溫氫分解壓只有幾個(gè)大氣壓，很合乎使用要求。解壓只有幾個(gè)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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(chǔ)氫性能。具有很好的儲(chǔ)氫性能。金屬氫化物儲(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)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(wú)滯后效應(yīng)無(wú)滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。但是，但是，氫化物生成熱大氫化物生成熱大，吸放氫平臺(tái)壓吸放氫平臺(tái)壓力低力低，價(jià)貴價(jià)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(chǔ)氫金屬氫化物儲(chǔ)氫碳納米管；碳納米管； 1997.3 單壁碳納米管中的儲(chǔ)氫單壁碳納米管中的儲(chǔ)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(chǔ)氫室溫下在單壁碳納米管上的儲(chǔ)氫science5wt%20wt% 2010.2 回顧碳納米管儲(chǔ)氫回顧碳納米管儲(chǔ)氫carbon19982010，CNTS儲(chǔ)氫量逐年下降儲(chǔ)氫量逐年下降 物理吸附達(dá)到的儲(chǔ)氫密度有限，物理吸附達(dá)到的儲(chǔ)氫密度有限，1wt%碳納米管儲(chǔ)氫碳納米管儲(chǔ)氫3637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38納米碳管吸附儲(chǔ)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(chǔ)氫材料的比較不同儲(chǔ)氫材料的比較氫能社會(huì)構(gòu)想氫能社會(huì)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(shí)釋出的能量，直接將其變換為電化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量，直接將其

20、變換為電能能。從這一點(diǎn)看，它和其他化學(xué)電池如錳干。從這一點(diǎn)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(shí)需要時(shí)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(guò)化學(xué)反電池不大一樣。由于它是把燃料通過(guò)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)殡娔茌敵觯员环Q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(guò)氫和氧非燃燒反燃料電池是一種通過(guò)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(chǔ)存在一定容器是將儲(chǔ)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(yáng)極、陰陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)極、電解質(zhì)。其。其陽(yáng)極為氫電極，陰極陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來(lái)加速電極上有一定量的催化劑，用來(lái)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(yáng)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(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；氫氣通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；(2) 在陽(yáng)極催化劑的作用下，在陽(yáng)極催化劑的作用下，1 個(gè)氫分子解離為個(gè)氫分子解離為 2 個(gè)氫質(zhì)個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出子，并釋放出 2 個(gè)電子，個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)陽(yáng)極反應(yīng)為：為： (3) 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍逶陔姵氐牧硪欢?，氧氣（或空氣）通過(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(shí)用型

25、燃料電池，對(duì)燃料電池的研究已有一百七一只實(shí)用型燃料電池，對(duì)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(shí)現(xiàn)真正技年代才實(shí)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(gè)名稱是蒙德（這個(gè)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(wèn)世，使人們對(duì)燃料電池的興趣推遲了大約問(wèn)世，使人們對(duì)燃料電池的興趣推遲了大約60年，當(dāng)年，當(dāng)時(shí)制約燃料電池研究的另一個(gè)原因是電化學(xué)熱力學(xué)方時(shí)制約燃料電池研究的另一個(gè)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(dòng)力學(xué)方面沒有進(jìn)展。面有進(jìn)展而電極反應(yīng)動(dòng)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?yàn)閾诫s的復(fù)合氧化因?yàn)閾诫s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(dòng)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(dòng)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(wú)污染無(wú)污染,電效率電效率高制造費(fèi)用非常高制造費(fèi)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(fèi)電廠的三倍

30、費(fèi)用用, 隨著連隨著連續(xù)運(yùn)行電效率續(xù)運(yùn)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(yùn)用前景的燃料電池被認(rèn)為最有商業(yè)運(yùn)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(wú)運(yùn)動(dòng)電極部件，低腐蝕無(wú)運(yùn)動(dòng)電極部件，低腐蝕l 低運(yùn)行溫度，低運(yùn)行溫度，60-80 度為主要運(yùn)行溫度度為主要運(yùn)行溫度l 快速啟動(dòng)，時(shí)頻響應(yīng)快快速啟動(dòng)，時(shí)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(yùn)輸交通運(yùn)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(jí)。級(jí)。 CO、S 是其是其克星克星，十萬(wàn)之幾（，十萬(wàn)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(yáng)陽(yáng)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(chǎng)板）組成場(chǎng)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?jiǎng)恿Φ牡胤?，均可以采原則上，凡是需要?jiǎng)恿Φ牡胤?，均可以采用燃料電池。用燃料電池。交通運(yùn)輸動(dòng)力：汽車，輪船，飛機(jī)交通運(yùn)輸

34、動(dòng)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(diǎn)：發(fā)電站，家庭能源動(dòng)力固定地面站點(diǎn)：發(fā)電站，家庭能源動(dòng)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(yáng)極板將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板(負(fù)極負(fù)極)，經(jīng)過(guò)催化劑，經(jīng)過(guò)催化劑(鉑鉑)的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子電子的氫離子(質(zhì)子質(zhì)子)穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池穿過(guò)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(guò)質(zhì)子交換膜的，這，而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，個(gè)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)