氢燃料电池学习教案.pptx

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1、会计学1氢燃料电池氢燃料电池(rn lio din ch)第一页，共80页。一、前言一、前言(qin yn)n n新能源的要求新能源的要求n n高效、清洁、经济、安全高效、清洁、经济、安全n n太阳能，风能，潮汐能太阳能，风能，潮汐能n n氢能？氢能？n n化石能源的特点化石能源的特点n n温室效应温室效应n nCO2CO2的排放量逐年增加的排放量逐年增加(zngji)(zngji)n n卡诺循环限制卡诺循环限制n n转化效率低、能源浪费严重转化效率低、能源浪费严重n n污染严重污染严重n n粉尘、粉尘、CO2CO2、NOxNOx第1页/共80页第二页，共80页。氢能氢能n n未来最有前途的能

2、源未来最有前途的能源n n氢能氢能n n受控核聚变能受控核聚变能n n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氘n n氢蕴藏氢蕴藏(yncng)(yncng)于浩瀚的海洋之中于浩瀚的海洋之中n n海洋的总体积约为海洋的总体积约为13.713.7亿立方千米，若把其中的氢提炼出来，约有亿立方千米，若把其中的氢提炼出来，约有1.410171.41017吨，所吨，所产生的热量是地球上矿物燃料的产生的热量是地球上矿物燃料的90009000倍倍第2页/共80页第三页，共80页。氢能正是一种氢能正是一种(y z

3、hn)理想的理想的新的含能体能源新的含能体能源n n二次能源二次能源n n“过程性能源过程性能源”n n电能电能n n可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、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能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能n n“含能体能源含能体能源”n n柴油、汽油柴油、汽油n n生产它们几乎完全依靠化石燃料生产它们几乎完全依靠化石燃料n n随着化石燃料耗量的日益增加随着化石燃料耗量的日益增加(zngji)(zngji)，其储量日益减少，终有一天，其储量日益减少，终有一天这

4、些资源将要枯竭这些资源将要枯竭n n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页第四页，共80页。氢的特点氢的特点(tdin)n n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-252.7C-252.7C时，可成为时，可成为液体液体(yt(yt)，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢n n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所

5、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1010倍，因此在能源工业倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体中氢是极好的传热载体n n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7575，除空气中含有氢气外，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，如把海水中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9000900

6、0倍倍第4页/共80页第五页，共80页。氢的特点氢的特点(tdin)n n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/kg142,351kJ/kg，是，是汽油发热值的汽油发热值的3 3倍倍n n 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n n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

7、氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘(fnchn)(fnchn)颗粒等对环境有害的污染物质，少量的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，反复循环使用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，反复循环使用第5页/共80页第六页，共80页。氢的特点氢的特点(tdin)n n氢能利用形式多氢能利用形式多n n既可以通过燃烧产生热能既可以通过燃烧产生热能n n发电发电n n做功做功n n作为能源材料作为能源材料(cilio)(cilio)用于燃料电池用于燃

8、料电池n n转换成固态氢用作结构材料转换成固态氢用作结构材料(cilio)(cilio)n n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n n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页第七页，共80页。氢能有待氢能有待(yudi)解决的关键问解决的关键问题题n n廉价的制氢技术廉价的制氢技术n n 安全可靠的贮氢和输氢方法安全可靠的贮氢和输氢方法n n氢

9、易气化氢易气化(q hu)(q hu)、着火、爆炸、着火、爆炸第7页/共80页第八页，共80页。氢的来源氢的来源(liyun)n n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n n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 1，原子组成占据，原子组成占据15154 4。n n化合态氢的最常见形式是水和有机物（如石油、煤炭、天然气及生命体等）。化合态氢的最常见形式是水和有机物（如石油、煤炭、天然气及生命体等）。n n在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）

10、数量极少。因此，欲获得大量的单质氢只有依靠人工制取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n n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n n氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9 9吨水可以生产出吨水可以生产出1 1吨氢（及吨氢（及8 8吨氧），而氢与氧的燃烧吨氧），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，产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料

11、制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，真是取之不尽，用之不竭真是取之不尽，用之不竭(yng zh b ji)(yng zh b ji)n n工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径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页第九页，共80页。氢的制取氢的制取n n电解水制氢电解水制氢n n电何处来？电何处来？n n矿物燃料制氢矿物燃料制氢n n天然气制氢天然气制氢n n醇类制氢醇类制氢n n硼氢化物制氢硼氢化物制氢n nn n生物质气化制氢生物质气化制氢n n垃圾、秸秆垃圾、秸秆(ji(ji n)n)、稻草、稻草n n太阳能制氢太阳能制氢第9页/共80页第十页，共80页。电解水

12、制氢电解水制氢n n水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一n n提供电能使水分解制得氢气的效率一般在提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75758585，其工艺过程简单，无污染，但，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消耗电量大，因此其应用受到一定的限制n n水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为4 45 55 5 5kWh 5kWh左右左右n n电能可由各种一次能源电能可由各种一次能源(y c nn(y c nn yun)yun)提供，其中包括矿物燃料、核能、太阳能、提供

13、，其中包括矿物燃料、核能、太阳能、水能、风能及海洋能等等水能、风能及海洋能等等第10页/共80页第十一页，共80页。热化学制氢热化学制氢n n当水直接加热到很高温度时，例如当水直接加热到很高温度时，例如30003000以上以上(y(y shng)shng)，部分水或水蒸气，部分水或水蒸气可以离解为氢和氧可以离解为氢和氧n n利用太阳能聚焦或核反应的热能利用太阳能聚焦或核反应的热能 第11页/共80页第十二页，共80页。光化学制氢光化学制氢n n光化学制氢是以水为原料，光催化分解制取氢气的方法n n光催化过程是指含有催化剂的反应体系(tx)，在光照下由于有催化剂存在，促使水解制得氢气。第12页/

14、共80页第十三页，共80页。矿物矿物(kungw)燃料制氢燃料制氢n n煤制氢n n煤的焦化n n焦炉煤气组成中含氢气5560（体积）、甲烷(ji wn)2327、一氧化碳68等n n煤的气化n n所制得煤气组成为氢3739（体积）、一氧化碳1718、二氧化碳32、甲烷(ji wn)810 第13页/共80页第十四页，共80页。矿物矿物(kungw)燃料制氢燃料制氢n n以天然气或轻质油为原料(yunlio)制取氢气n n水蒸气重整 n nCH4+H2OCO+H2 n nCO+H2OCO2+H2 n nCnH2n2+nH2OnCO+（2n+1）H2 n n用该法制得的气体组成中，氢气含量可达7

15、4（体积）。第14页/共80页第十五页，共80页。矿物矿物(kungw)燃料制氢燃料制氢n n以重油为原料部份氧化(ynghu)法制取氢气n n重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物 n n气体产物组成：氢气46（体积），一氧化(ynghu)碳46，二氧化(ynghu)碳6 第15页/共80页第十六页，共80页。生物质制氢生物质制氢n n生物质气化制氢 n n将生物质原料如薪柴、锯未、麦秸、稻草(doco)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。n n其气化产物中氢气约占10左右第16页/共80页第十七页，共80页。生物质制氢生物质制氢n n微生物制氢技术n n利

16、用微生物在常温(chngwn)常压下进行酶催化反应可制得氢气n n化能营养微生物n n各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌n n发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等n n光合微生物n n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页第十八页，共80页。其它其它(qt)合氢化物制氢合氢化物制氢n n硫化氢中制取氢气n n我国有丰富的H2S资源(zyun)n n硼氢化钠制取氢气n n车载氢源研究热点 第18页/共80页第十九页，共80页。太阳能制氢太阳能制氢n n无穷无尽n n太阳能热分解(fnji)水制氢n n热化学制氢n n太阳能发电电解水制氢

17、n n电解水制氢n n太阳光光催化分解(fnji)水制氢n n太阳能生物质制氢等等第19页/共80页第二十页，共80页。副产氢回收副产氢回收(hushu)n n各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿m3以上n n合成氨工业中氢的年回收量可达14108立方米n n氯碱工业中有87106m3的氢可供回收利用n n在冶金工业、发酵(f jio)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页第二十一页，共80页。储氢合金储氢合金(hjn)n n氢能被认为是人类最理想、最长远的能源。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作为氢气载体的贮氢合金的研

18、究开发及其产业化是世界性关注的课题。贮氢合金是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。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国外研制的烯氢汽车最高时速可达100km。我国镍和稀土储量丰富，发展我国镍和稀土储量丰富，发展(fzhn)贮贮氢合金具有资源优势，产业化发展氢合金具有资源优势，产业化发展(fzhn)前景乐观。目前上海的一种只以前景乐观。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。估计到污

19、染排放，安全性能好。估计到2010年，我年，我国镍氢电池产量将突破国镍氢电池产量将突破8亿只，产值将达到亿只，产值将达到数十亿元。数十亿元。第21页/共80页第二十二页，共80页。氢气氢气(qn q)储存储存n n传统储氢方法n n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n n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(r)n n新型储氢方法n n高压液化氢气槽(High-pressure and liquefied hydrogen tank)n n金属氢化物(Metal hydride)n n碳基吸附剂(Carbon-based adsorbents)，n

20、n金属有机配位子结构(Metal-Organic Frameworks)n n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页第二十三页，共80页。氢能经济氢能经济(jngj)第23页/共80页第二十四页，共80页。氢经济氢经济(jngj)n n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(wxin)的来源，所供给光和热的能量是煤炭所无法达到的。所

21、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页第二十五页，共80页。什么什么(shn me)是氢经济是氢经济?n n美国自美国自”9.11”9.11”事件以后，对于氢能相关技术研发的步伐事件以后，对于氢能相关技术研发的步伐(bf)(bf)明显加快，在国明显加快，在国际上处于领先地位。在美际上处于领先地位。在美20012001年年1111月在华盛顿召开的国家氢能前景会议上形成的月在华盛顿召开的国家氢能前景会议上形成的文件文件“A national vision of Americas tran-sition“A national vision of Am

22、ericas tran-sition toto a hydrogen economy-a hydrogen economy-toto 2030 and 2030 and beyond”beyond”中，对氢经济的描述为：中，对氢经济的描述为：“未来的氢经济中未来的氢经济中-美国将拥有安全、清洁以及美国将拥有安全、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。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

23、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的设备、产品和服务。的设备、产品和服务。”第25页/共80页第二十六页，共80页。如何实现如何实现(shxin)氢经济氢经济n n从氢能制备的角度从氢能制备的角度n n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的影响n n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

24、燃料制备的氢能具有成本竞争力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n n氢能分配的角度氢能分配的角度n n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n n从氢能利用的角度从氢能利用的角度n n燃料电池技术的日渐成熟促成了汽车燃料电池技术的日渐成熟促成了汽车(qch)(qch)工业的转型工业的转型n n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

25、用n n在重型运输机械及体积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。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80页第二十七页，共80页。中国中国(zhn u)的氢推广计划的氢推广计划n n20032003年年3 3月月2727日，由全球环境基金（日，由全球环境基金（GEFGEF）、联合国开发计划署）、联合国开发计划署(UNDP)(UNDP)和中国政府共同支持的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中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”正式启正式启动，这项历时动，这项历时5 5年的工程，总投入年的工程，总投入3

26、2363236万美元。项目由万美元。项目由GEFGEF、UNDPUNDP、中国科技部和北京上海两地的市政府以及企业中国科技部和北京上海两地的市政府以及企业(q(q y)y)共同投资，将首先共同投资，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和推广应用n n在北京为在北京为20082008奥运会上，奥运会上，2020辆帕萨特领驭燃料电池轿车，和近辆帕萨特领驭燃料电池轿车，和近500500辆各辆各种电动车种电动车n n到到20102010年上海世博会期间，年上海世博会期间，2020辆氢燃公交车、辆氢燃

27、公交车、300300辆氢燃出租车、辆氢燃出租车、10001000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。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。n n氢能线路图，氢能线路图，hydrogen roadmaphydrogen roadmap第27页/共80页第二十八页，共80页。我国氢能研究我国氢能研究(ynji)和开发和开发n n过去，我国氢能领域过去，我国氢能领域(l(l n n y)y)的专家和科学工作者在国家经费支持不多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的困难条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面，

28、仍然取得了不少的进展和成绩展和成绩n n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，在氢能领域开发和利用。近年来，在氢能领域(l(l n n y)y)取得了多方面的进展。取得了多方面的进展。第28页/共80页第二十九页，共80页。氢能利用氢能利用(lyng)代表之一代表之一燃料电池燃料电池n n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n n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不经过燃料燃烧直接将电化

29、学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置效发电装置(zhungzh)(zhungzh)n n特点特点n n高效高效85859090；实际；实际40406060n n环境友好环境友好n n安静安静n n可靠性高可靠性高第29页/共80页第三十页，共80页。燃料电池燃料电池(rn lio din ch)的出的出现现n n18391839年，英国年，英国Sir William R.GroveSir William R.Grove爵士发表了世界上第一篇有关燃料电池爵士发表了世界上第一篇有关燃料电池研究的报告研究的报告(bogo)-(bogo)-以以PtPt为电极的氢为电极的氢-氧燃料电池氧燃料

30、电池n n从从19601960年年1010月质子交换膜燃料电池首次用于双子星座航天飞船飞行月质子交换膜燃料电池首次用于双子星座航天飞船飞行n n燃料电池用于航天领域燃料电池用于航天领域n n长时间运作长时间运作n n重量轻重量轻n n发电时不用回转装置，没有噪音和磨损发电时不用回转装置，没有噪音和磨损n n产生纯水，作为宇航员的饮用水产生纯水，作为宇航员的饮用水第30页/共80页第三十一页，共80页。燃料电池燃料电池(rn lio din ch)分类分类n n碱性燃料电池n nAlkaline Fuel Cell,AFCn n电解质强碱（KOH）n n燃料纯氢n n氧化剂纯氧或脱除微量CO2的

31、空气n n电池工作温度50200 度n n用于特殊场合(chng h)，航天提供饮用水和动力n n地面应用缺陷n n以空气代替纯氧时，必须消除微量的CO2n n以重整气代替纯氢时，必须消除大量的CO2第31页/共80页第三十二页，共80页。KOHn n阳极氧化反应阳极氧化反应(fnyng)(fnyng)n nH2+2OH-2H2O+2e-H2+2OH-2H2O+2e-n n阴极还原反应阴极还原反应(fnyng)(fnyng)n n1/2O2+H2O+2e-2OH-1/2O2+H2O+2e-2OH-第32页/共80页第三十三页，共80页。碱性碱性(jin xn)燃料电池燃料电池n n氧电极氧电极

32、(dinj)(dinj)n n以以Pt/CPt/C，AgAg，Ag-AuAg-Au，NiNi等阴极催等阴极催化剂制备的多孔扩散电极化剂制备的多孔扩散电极(dinj)(dinj)n n氢电极氢电极(dinj)(dinj)n n以以Pt-Pd/CPt-Pd/C，Pt/CPt/C，NiNi，NiBNiB等阳极等阳极催化剂制备的多孔扩散电极催化剂制备的多孔扩散电极(dinj)(dinj)n n双极板双极板n n无孔碳板，镍板或镀镍甚至镀银无孔碳板，镍板或镀镍甚至镀银/镀金的各种金属（如铝，镁，铁等）镀金的各种金属（如铝，镁，铁等）板板第33页/共80页第三十四页，共80页。磷酸磷酸(ln sun)型燃

33、料电池型燃料电池n nPhosphoric Acid Fuel CellPhosphoric Acid Fuel Cell，PAFCPAFCn n电解质电解质主要是主要是SiCSiC多孔隔膜储存的磷酸多孔隔膜储存的磷酸(ln sun)(ln sun)n n燃料燃料纯氢或重整气纯氢或重整气n n氧化剂氧化剂纯氧或空气纯氧或空气n n电池工作温度电池工作温度100200 100200 度度n n用于区域性供电用于区域性供电n n结构简单，性能稳定结构简单，性能稳定n n不利不利n n腐蚀性很强腐蚀性很强n n必须用贵金属作催化剂必须用贵金属作催化剂n n电解质容易流失电解质容易流失第34页/共80

34、页第三十五页，共80页。H3PO4n n阳极氧化阳极氧化(ynghu)(ynghu)反应反应n nH2 2H+2e-H2 2H+2e-n n阴极还原反应阴极还原反应n n1/2O2+2H+2e-1/2O2+2H+2e-H2OH2O第35页/共80页第三十六页，共80页。质子质子(zhz)交换膜燃料电池交换膜燃料电池n nProton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFCn n固体(gt)聚合物燃料电池n nSolid Polymer Fuel Cell，简称SPFCn n聚合物电解质膜燃料电池n nPolymer Electrolyte Membrane Fuel

35、 Cell，简称PEMFC第36页/共80页第三十七页，共80页。质子质子(zhz)交换膜燃料电池交换膜燃料电池n n电解质电解质n n质子交换质子交换(jiohun)(jiohun)膜膜n n燃料燃料n n纯氢或重整气纯氢或重整气n n氧化剂氧化剂n n纯氧或空气纯氧或空气n n电池工作温度电池工作温度n n室温室温100 100 度度n n用于移动式电源，分散电站；军用于移动式电源，分散电站；军/民两用民两用第37页/共80页第三十八页，共80页。氢氢-氧质子交换氧质子交换(jiohun)膜燃膜燃料电池料电池n n氢的阳极氧化氢的阳极氧化:n n2H2-4e-4H+2H2-4e-4H+n

36、n氧的阴极氧的阴极(ynj)(ynj)还原还原:n nO2+4H+4e-2H2OO2+4H+4e-2H2O第38页/共80页第三十九页，共80页。直接直接(zhji)醇类燃料电池醇类燃料电池n nDirect Alcohol Fuel CellDirect Alcohol Fuel Cell，DAFCDAFCn n直接甲醇燃料电池，直接甲醇燃料电池，Direct Methanol Fuel CellDirect Methanol Fuel Cell，简称，简称DMFCDMFCn n电解质电解质质子交换膜质子交换膜n n电池工作温度电池工作温度 室温室温100 100 度度n n用于微型移动电源

37、，用于微型移动电源，Micro Fuel CellMicro Fuel Celln n不利不利(bl)(bl)n nCOCO中毒中毒n n甲醇渗透，电氧化活性低甲醇渗透，电氧化活性低n nCO2CO2管理管理第39页/共80页第四十页，共80页。第40页/共80页第四十一页，共80页。熔融熔融(rngrng)碳酸盐燃料电池碳酸盐燃料电池n nMolten Carbonate Fuel CellMolten Carbonate Fuel Cell，MCFCMCFCn n电解质电解质n n熔融碳酸盐，熔融碳酸盐，K2CO3,Li2CO3K2CO3,Li2CO3n n燃料燃料n n净化煤气净化煤气(

38、miq)(miq)，天然气，重整气等，天然气，重整气等n n氧化剂氧化剂n n纯氧或空气纯氧或空气n n电池工作温度电池工作温度n n650700 650700 度度第41页/共80页第四十二页，共80页。n n隔膜n n偏铝酸锂，LiAlO2n n阳极氧化(ynghu)反应n n催化剂：Nin nH2+CO32-CO2+H2O+2e-n n阴极还原反应n n催化剂：NiOn n1/2O2+CO2+2e-CO32-第42页/共80页第四十三页，共80页。固体固体(gt)氧化物燃料电池氧化物燃料电池n nSolid Oxide Fuel Cell，SOFCn n电解质n n固体氧化物n nYSZ

39、-Y2O3稳定(wndng)的ZrO2n n燃料n n净化煤气，天然气n n氧化剂n n空气n n电池工作温度n n9001000 度n n用于区域供电，联合循环发电第43页/共80页第四十四页，共80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(fh)导电的钙钛矿型复合(fh)氧化物Sr掺杂的LaMnO3（LSM）n1/2O2+2e-O2-第44页/共80页第四十五页，共80页。归纳归纳(gun)第45页/共80页第四十六页，共80页。微生物燃料电池微生物燃料电池(rn lio din ch)n n微生物的生命活动产生的所谓“电极

40、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(dinnng)，成为微生物电池n n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(dinnng)第46页/共80页第四十七页，共80页。第47页/共80页第四十八页，共80页。可再生燃料电池可再生燃料电池(rn lio din ch)第48页/共80页第四十九页，共80页。质子交换膜燃料质子交换膜燃料电池电池的现状的现状(xinzhung)和和进展进展第49页/共80页第五十页，共80页。质子交换质子交换(jiohun)膜燃料电池膜燃料电池的应

41、用的应用主要主要(zhyo)(zhyo)是是车用和家用车用和家用第50页/共80页第五十一页，共80页。Conventional FEM Fuel Cell SystemConventional FEM Fuel Cell System第51页/共80页第五十二页，共80页。Worldwide Application of PEM Fuel Cell in Our Future Worldwide Application of PEM Fuel Cell in Our Future LifLif第52页/共80页第五十三页，共80页。第53页/共80页第五十四页，共80页。PEMFC组成组成(

42、z chn)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 带有扩散层的带有扩散层的碳纸或碳布支撑、扩散碳纸或碳布支撑、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集电流1.End Plate 端板端板固定固定(gdng)、组装、组装

43、第54页/共80页第五十五页，共80页。电极电极(dinj)催化剂催化剂n n催化剂n n阳极n n贵金属催化n n类贵金属催化剂n n阴极(ynj)n n贵金属催化剂n n类贵金属催化剂n n卟啉、酞菁类铁、钴等配位化合物n n催化剂载体n n碳黑.XC-72，BP2000n n金属氧化物.WOx,SnOx,AlOx,等n n带电高分子材料第55页/共80页第五十六页，共80页。n nCoTETA，n nTETA，triethylenetetramine,三乙烯(y x)四胺第56页/共80页第五十七页，共80页。第57页/共80页第五十八页，共80页。电极电极(dinj)催化剂的寿命催化剂

44、的寿命n n催化剂长大(chn d)n n催化剂晶型发生变化n n杂质的毒化n n燃料和空气中的杂质n n双极板及其它产生的杂质第58页/共80页第五十九页，共80页。电极电极(dinj)催化剂的用量催化剂的用量n n催化剂用量催化剂用量:n n目标目标:0.1 mg/cm2(:0.1 mg/cm2(物理溅射方法物理溅射方法)n n目前目前(mqin):0.31.0 mg/cm2(both sides total).(mqin):0.31.0 mg/cm2(both sides total).n n取决于不同的催化剂层制备技术取决于不同的催化剂层制备技术第59页/共80页第六十页，共80页。T

45、he 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 membraneFabricating process on gas diffusion mediaCoating of PTFE/Carbon layer

46、 Coating of Ionomer/Carbon layer 催化剂层制备技术催化剂层制备技术(jsh)之一之一转移涂层技术转移涂层技术(jsh)第60页/共80页第六十一页，共80页。门帘(mnlin)涂层油墨(yum)印刷喷溅(pn jin)喷雾丝网印刷滚筒涂层第61页/共80页第六十二页，共80页。质子质子(zhz)交换电解质膜必要交换电解质膜必要条件条件n n质子导电率 0.1S/cmn n薄膜成型能力及机械强度高 n n价廉n n在强酸和燃料电池工作条件下稳定n n低气体渗透n n低甲醇渗透(DMFC)n n无污染和易回收(hushu)利用第62页/共80页第六十三页，共80页。

47、质子交换质子交换(jiohun)电解质膜现电解质膜现状状(低温低温)n nNafion(Nafion(DuPont)DuPont)n nGore(PRIMEA,Reinforced)Gore(PRIMEA,Reinforced)n nAciplex(Asahi Chemicals)Aciplex(Asahi Chemicals)n nFlemion,Fiber/Cloth Reinforced(Asahi Glass)Flemion,Fiber/Cloth Reinforced(Asahi Glass)n nBallard BAMBallard BAMn nDowDown nPSSA,PSSA

48、-g-PVDF/HFP,Sulfonated Partially Fluorinated PolymerPSSA,PSSA-g-PVDF/HFP,Sulfonated Partially Fluorinated PolymerAll for 100C useAll for 100 C:Lower Proton DEHYDRATION 100 C:Lower Proton Conductivity and Poor Cell Performance Unless Conductivity and Poor Cell Performance Unless Pressurized and Well-

49、Humidified(System Pressurized and Well-Humidified(System Complication)Complication)第63页/共80页第六十四页，共80页。高温质子高温质子(zhz)交换电解质膜交换电解质膜优点优点优点优点:减少减少减少减少CO CO 毒化毒化毒化毒化.加速动力学反应速度加速动力学反应速度加速动力学反应速度加速动力学反应速度.有利于水管理有利于水管理有利于水管理有利于水管理.有利于热管理有利于热管理有利于热管理有利于热管理.缺点缺点缺点缺点:膜失去水而导致膜失去水而导致膜失去水而导致膜失去水而导致膜电阻增加膜电阻增加膜电阻增加膜

50、电阻增加.电极极化电极极化电极极化电极极化(j hu)(j hu)增加增加增加增加.(.(氧气还原速度氧气还原速度氧气还原速度氧气还原速度(ORR)(ORR)与水含量有关与水含量有关与水含量有关与水含量有关.).)第64页/共80页第六十五页，共80页。质子交换质子交换(jiohun)电解质膜现电解质膜现状状(高温高温)n nNew High-Temperature IonomerNew High-Temperature Ionomern nSulfonated/Phosphonated high-temperature polymersSulfonated/Phosphonated high