1、9:361第五章 氢能9:362内容提要5.1概述5.2 氢的制取5.3 氢的储存5.4 氢的利用5.5 氢能安全5.6 氢能应用展望9:3635.1概述9:3645.1概述9:3651巴(bar)=100,000帕(pa)=10牛顿/平方厘米=0.1Mpa 9:3665.1概述概述氢的发现：氢的发现：17661766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告报告人造空气实验人造空气实验，讲了他用铁、锌等与稀，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气易燃空气”（即氢气），（即氢气），并正确描述了氢的性质。并正确描述了氢的性质。
2、1931年，哈罗德年，哈罗德.尤里发尤里发现氘。后来英美化学家又发现了氚。现氘。后来英美化学家又发现了氚。9:3675.1 概述概述9:3689:3699:3610 1)1)天然气制氢天然气制氢2)2)煤制氢煤制氢3)3)水电解制氢水电解制氢 4)4)生物质制氢生物质制氢5)5)太阳能制氢太阳能制氢 6)6)核能制氢核能制氢 7)7)等离子化学法制氢等离子化学法制氢5.2 制氢方法制氢方法9:36115.2.15.2.1天然气制氢天然气制氢1 1）部分氧化重整制氢部分氧化重整制氢(直接部分氧化和催化氧化直接部分氧化和催化氧化)CH4+1/2O2-CO+2H2+35.5 kJ 反应放出少量的热，
3、但反应条件较苛刻且纯氧需要反应放出少量的热，但反应条件较苛刻且纯氧需要 空分设备来制取。空分设备来制取。2)2)催化热裂解制造氢气催化热裂解制造氢气 CH4-C+2H2新方法新方法：3）新催化剂的开发，沸石和钼催化剂）新催化剂的开发，沸石和钼催化剂 6CH4-苯苯+9H29:36125 5.2.22.2煤煤制氢制氢以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：煤的焦化（高温干以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：煤的焦化（高温干馏）、煤的气化（气化剂为水蒸气或空气）。馏）、煤的气化（气化剂为水蒸气或空气）。煤制氢的核心是煤制氢的核心是煤气化技术煤气化技术：有煤催化气化法和煤超临界水气化法有煤催化气
4、化法和煤超临界水气化法 C+H2O-CO+H2 CO+H2O-CO2+H2包括三个过程，造气反应、水煤气变换反应、氢的提纯和压缩包括三个过程，造气反应、水煤气变换反应、氢的提纯和压缩煤煤气化炉气化炉净化装置净化装置CO变换变换CO2分离分离CO2储存储存变压吸附变压吸附水蒸气水蒸气空气分离空气分离尾气处理尾气处理硫份硫份H2灰分灰分空气空气9:36135.2.3 5.2.3 水电解制氢水电解制氢水电解制氢产品纯度高，操作简便。水电解制氢产品纯度高，操作简便。水电解制氢的原理水电解制氢的原理：4e-+4H2O-2H2+4OH-4OH-O2+2H2O+4e-电解定律：电解定律：n化学当量，法拉第常
5、数，电流，通电时间化学当量，法拉第常数，电流，通电时间,G化学化学反应物生成的量。反应物生成的量。电解电压：电解电压：n-反应物质的当量数，或电极反应中电子得失的数目反应物质的当量数，或电极反应中电子得失的数目 E电动势电动势 F法拉第常数法拉第常数nEFGItFeItKGen9:3614 5.2.4 生物质制氢生物质制氢l 微生物转化制氢微生物转化制氢：利用微生物在常压常温下，通过利用微生物在常压常温下，通过酶的催化作用制氢，包括厌氧发酵有机物制氢和光合微酶的催化作用制氢，包括厌氧发酵有机物制氢和光合微生物制氢生物制氢 1.厌氧发酵有机物制氢厌氧发酵有机物制氢 发酵产氢细菌发酵产氢细菌生物质
6、的利用主要有微生物转化和热化工转化两类生物质的利用主要有微生物转化和热化工转化两类9:36152.光合微生物制氢光合微生物制氢 光解产氢微生物光解产氢微生物9:36161、光解产氢生物光解产氢生物（绿藻、蓝细菌和光合细菌）（绿藻、蓝细菌和光合细菌）蓝细菌和光合细菌产氢能力是绿藻的蓝细菌和光合细菌产氢能力是绿藻的，无研发价值，而绿藻产氢效率也不高，研发缓慢无研发价值，而绿藻产氢效率也不高，研发缓慢。2、发酵产氢细菌发酵产氢细菌三大优点：三大优点：a.产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种。产氢能力和菌种生长速度高于光合产氢菌种。b.无需光源，操作管理简便。无需光源，操作管理简便。c.发酵产氢细菌
7、发酵产氢细菌来源广，成本低。来源广，成本低。5.2.4 生物质制氢生物质制氢9:3617n热化工转化是将生物质放在气化炉或裂解炉中，热化工转化是将生物质放在气化炉或裂解炉中，通过热化学反应，气化或裂解转化为富氢气体的通过热化学反应，气化或裂解转化为富氢气体的方法。方法。生物质生物质CxHyOz 柴油、汽油、甲醇等柴油、汽油、甲醇等 氢气氢气内燃机（内燃机（IEC）燃料电池（燃料电池（FC）5.2.4 生物质制氢生物质制氢l 热化工转化热化工转化气化炉气化炉裂解炉裂解炉9:36185.2.5 n以水为原料，利用光能制氢的方法，以水为原料，利用光能制氢的方法，是最有前途的方法。是最有前途的方法。9
8、:3619制氢制氢 氢能氢能利用利用一次一次能源能源电池电池汽车汽车热泵热泵传感器传感器电解、光催化电解、光催化氢能的储存与输送氢能的储存与输送太阳能制氢：太阳能制氢：利用太阳能，到海水中取氢。利用太阳能，到海水中取氢。大量制氢是最有希望的方向大量制氢是最有希望的方向5.2.5太阳能制氢9:36201 1）太阳能电解水制氢太阳能电解水制氢（太阳能光伏电池太阳能光伏电池-电解水制氢电解水制氢）由于太阳能光伏电池电的转化效率较低，价格非常昂贵，无由于太阳能光伏电池电的转化效率较低，价格非常昂贵，无法与常规能源制氢相竞争。法与常规能源制氢相竞争。2 2）太阳能热化学太阳能热化学循环循环制氢制氢 太阳
9、能太阳能热化学反应循环制取氢气技术，就是利用太阳能集热器将太阳能聚集起来产生高温，推动以水和金属氧化物、硫化物或溴化物为原料的热化学反应制取氢气的过程。原理：利用高温下金属氧化物、硫化物或溴化物分解的强吸热反应，将太阳能转化为化学能；较低温度下经过热化学反应循环，使水分解制得氢气。5.2.5太阳能制氢已经实现已经实现工业大规工业大规模生产模生产9:3621C2H5OH CH3CHO+H2+41kJ/mol由于乙醇不直接吸收光，须由于乙醇不直接吸收光，须加入光敏剂，二苯（甲）酮加入光敏剂，二苯（甲）酮3）太阳能光化学制氢）太阳能光化学制氢4）太阳能热解水制氢）太阳能热解水制氢 太阳炉可以实现太阳
10、炉可以实现3000 以上的高温，而热解水分解以上的高温，而热解水分解产生氢气需产生氢气需2000 的高温，目前制约因素主要是造的高温，目前制约因素主要是造价和材料设备。价和材料设备。9:36225）太阳能）太阳能-光催化剂制氢光催化剂制氢5.2.5 太阳能制氢催化剂设计的思路：催化剂设计的思路：抑制逆反应即电子抑制逆反应即电子-孔穴孔穴的再结合的再结合水的电解电压：1.3 eV9:3623最常用的光催化剂是最常用的光催化剂是TiO2禁带宽度禁带宽度3.2eV9:36249:36259:3626空心球结构有利于浮于水面更好接收太阳光空心球结构有利于浮于水面更好接收太阳光9:3627阳极：阳极：T
11、iO2半导体电极半导体电极9:36285.2.6 核能制氢核能制氢 核能制氢是利用高温反应堆或核反应堆的热能来分解水制氢的方法。实质上，核能制氢是一种热化学循环分解水的过程。目前涉及高温或热反应堆的热能的制氢方法，按照涉及 的物料可分为氧化物体系，卤化物体系和含硫体系。9:36295.6.7 等离子化学法制氢等离子化学法制氢 在物质变为气态以后，如果从外界继续得到能量，到一定程度后，它可以进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子，即原子或分子发生了电离。电离使带电粒子浓度超过一定数量后，气体的行为虽然仍与平常的流体相似，但中性粒子的作用开始退居到次要地位，带电粒子的作用成为主导的，整个物质表现出
12、一系列新的性质。像这样部分或完全电离的气体，其中自由电子和正离子所带的负、正电荷量相等，整体又呈电中性，而行为受电磁场影响，称为“等离子体”。因为物质的固、液、气态都属于“聚集态”，所以从聚集态的顺序来说，也常常把“等离子态”称为物质的第四态。所有的烃类都可作为所有的烃类都可作为等离子化学法制氢的原料，产物为炭和氢等离子化学法制氢的原料，产物为炭和氢9:3630密度高、但能耗大、密度高、但能耗大、且有自然挥发且有自然挥发5.3 氢气的储存氢气的储存9:3631液化储存面临两个主要难题：液化储存面临两个主要难题：氢气的深冷液化能耗高；氢气的深冷液化能耗高；液氢的储存和保养问题：由于液氢储器内的温
13、度液氢的储存和保养问题：由于液氢储器内的温度与环境温度的温差大与环境温度的温差大(253土土25)，给液氢的保冷、，给液氢的保冷、防止挥发、储器材料和结构设计、加工工艺等提出了防止挥发、储器材料和结构设计、加工工艺等提出了苛刻的要求。苛刻的要求。氢的存储氢的存储：气体氢：气体氢：液态氢：液态氢：储存储存 难题难题储氢密度远高于气态，但储氢密度远高于气态，但氢气氢气的液化温度为的液化温度为-252.6，液化液化过程耗费大量的能源，需采用过程耗费大量的能源，需采用超低温的特殊容器，价格昂贵超低温的特殊容器，价格昂贵主要用高压钢瓶，储氢量小，主要用高压钢瓶，储氢量小，储氢密度低，使用不方便储氢密度低
14、，使用不方便解决方式：研发储氢材料解决方式：研发储氢材料9:3633储氢材料应具备的条件储氢材料应具备的条件1、储氢量大：单位质量或单位体积储氢量大、储氢量大：单位质量或单位体积储氢量大2、平衡氢压适当：最好在室温附近只有几个大气、平衡氢压适当：最好在室温附近只有几个大气 压，便于储氢和放氢。且压，便于储氢和放氢。且P-C-T曲线有良曲线有良 好的平坦区，平坦区越宽，倾斜程度越好的平坦区，平坦区越宽，倾斜程度越 小，在该区域稍微改变压力，就能吸收和小，在该区域稍微改变压力，就能吸收和 释放较多的氢气；释放较多的氢气；3、金属氢化物的生成热要适当，若生成热太高，、金属氢化物的生成热要适当，若生成
15、热太高，生成的金属氢化物过于稳定，释氢时就需要较生成的金属氢化物过于稳定，释氢时就需要较 高的温度。高的温度。9:3634储氢合金储氢合金9:3635优点：优点：可储存相当于合金自身体积上千倍的氢气，吸氢密可储存相当于合金自身体积上千倍的氢气，吸氢密度超过液态氢和固态氢密度，轻便安全。度超过液态氢和固态氢密度，轻便安全。9:3636金属氢化物储氢原理金属氢化物储氢原理氢能与许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢能与许多金属、合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放氢化物，并释放出热量；金属氢化物受热时，又释放出氢气，反应式为：出氢气，反应式为：gHxsM
16、22 HsMHx11,TP22,TP M含氢固溶体含氢固溶体H反应热反应热P1,T1吸氢时体系所需的压力和温度吸氢时体系所需的压力和温度P2,T2释氢时体系所需的压力和温度释氢时体系所需的压力和温度9:3637储氢合金储氢合金储氢能力很强。单位体积储氢的储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。储氢合金都是固体，需要用氢时倍。储氢合金都是固体，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，因此是一种极其简便易行的理想储氢来，因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金
17、，主要方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金氢合金及稀土系储氢合金。9:3638贮氢合金的分类（按合金系统）贮氢合金材料贮氢合金材料 镁系贮氢合金稀土贮氢合金钛系贮氢合金 锆系贮氢合金 钙系贮氢合金 9:3639贮氢合金材料贮氢合金材料 贮氢合金的分类（按化合物的类型）AB5型稀土类及钙系贮氢合金 AB2型Laves相贮氢合金 AB型钛系贮氢合金 A2B型镁系贮氢合金 稀土镧镍系、钛铁系、镁系、钛稀土镧镍系、钛铁系、镁系、钛/锆系锆系LaNi5(s)+3H2(g)LaNi5H6(s)TiFe(s)+H2
18、(g)TiFeH2(s)Mg2Ni(s)+3H2(g)MgH2(s)+NiMgH4(s)9:3641LaNi5储氢合金储氢合金(金属间化合物金属间化合物)：荷兰荷兰Philips实验室首先研制实验室首先研制65253HLaNiHLaNiLaNi5H6六方结构六方结构 (氢原子占据晶格的四面体间隙氢原子占据晶格的四面体间隙)9:3642TiFe金属间化合物金属间化合物:美美Brookhaven国家实验室国家实验室TiFe金属间化合物结构金属间化合物结构(CsCl结构结构)9:3643以锆为以锆为A组元的储氢合金：组元的储氢合金：ZrV2,ZrCr2,ZrCo2,ZrFe2等等 AB2型合金的结构
19、模型型合金的结构模型 (立方立方C14或六方或六方C15晶系晶系)c15A组元组元B组元组元9:3644镁系：镁系：美美Brookhaven国家实验室国家实验室22MgHHMg特点：特点：q储氢容量高储氢容量高q资源丰富资源丰富q价格低廉价格低廉q放氢温度高（放氢温度高（250300）q放氢动力学性能较差放氢动力学性能较差9:3645改善：多元合金化，如改善：多元合金化，如Mg-Ni,Mg-Cu,Mg-La,Mg-Al等等 二元系为基的三元、多元合金。二元系为基的三元、多元合金。Mg2Ni42222NiHMgHNiMg六方晶格六方晶格四方晶格四方晶格9:3646贮氢合金材料贮氢合金材料 优点：
20、优点：吸氢量大吸氢量大平衡压力适中而平坦平衡压力适中而平坦放氢快，滞后小放氢快，滞后小容易活化，室温下即可活化容易活化，室温下即可活化具有良好的抗杂质气体中毒性具有良好的抗杂质气体中毒性缺点：缺点：成本高，大规模使用受到限制成本高，大规模使用受到限制吸放氢过程中晶胞体积膨胀大吸放氢过程中晶胞体积膨胀大9:3647储氢合金在应用时还存在以下问题：储氢合金在应用时还存在以下问题：l对气体杂质的高度敏感性；对气体杂质的高度敏感性；l初始活化困难；初始活化困难；l氢化物在空气中自燃；氢化物在空气中自燃；l反复吸释氢时氢化物产生歧化。反复吸释氢时氢化物产生歧化。新型储氢材料的开发：新型储氢材料的开发：如
21、非晶态合金、过渡金属络合物及一些非金如非晶态合金、过渡金属络合物及一些非金属材料。属材料。9:3648活性炭储氢活性炭储氢1）活性炭储氢）活性炭储氢年发现活性炭在年发现活性炭在K和和4.15时下，可获得时下，可获得的吸氢量的吸氢量(质量分数质量分数)。年，年，Orimo发现液氮下，某些石墨可以吸附的发现液氮下，某些石墨可以吸附的氢氢(质量分数质量分数)。年，天津大学周理教授开发一种活性炭复合物理方法，年，天津大学周理教授开发一种活性炭复合物理方法，压片，、下可获得的储氢量。压片，、下可获得的储氢量。）活性炭储存天然气）活性炭储存天然气 目前北京市天然气的存储压力为，而采用活性炭的吸目前北京市天
22、然气的存储压力为，而采用活性炭的吸附存储压力可大大降低，约为附存储压力可大大降低，约为3.5。目前最具存储潜力的是活性炭纤维，它的优点有目前最具存储潜力的是活性炭纤维，它的优点有：总表面大计及：总表面大计及微孔丰富；吸附和解吸速度快；通气性佳，低粉尘、量轻，容易微孔丰富；吸附和解吸速度快；通气性佳，低粉尘、量轻，容易制成各种形状。制成各种形状。9:3649活性炭吸附储氢活性炭吸附储氢如：在如：在-120、5.5MPa下，活性炭储氢量高下，活性炭储氢量高 达达9.5%(质量分数质量分数)。特点：特点：活性炭吸附储氢器体积比金属氢活性炭吸附储氢器体积比金属氢 化物储氢体系稍大；化物储氢体系稍大；活
23、性炭原料易得；活性炭原料易得；吸附储氢和脱氢操作比较简单；吸附储氢和脱氢操作比较简单；投资费用较低。投资费用较低。活性碳活性碳9:3650纳米碳储氢纳米碳储氢1）纳米碳的发现）纳米碳的发现年年Carl,Smalley,Kroto发现发现C60,富勒烯富勒烯或巴基球。或巴基球。19911991年年IijimaIijima发现发现碳纳米管碳纳米管 纳米碳管的制备方法纳米碳管的制备方法 a.电弧放电法电弧放电法 b.激光蒸发法激光蒸发法c.化学气相沉积法化学气相沉积法 d.火焰法火焰法富勒烯富勒烯(C60)高功率激光轰击石墨，高功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子气使石墨中的碳原子气化，用氦气流把气态
24、化，用氦气流把气态碳原子送入真空室，碳原子送入真空室，迅速冷却后形成碳原迅速冷却后形成碳原子簇。子簇。C C6060呈球笼状，是一个呈球笼状，是一个完美对称的分子。完美对称的分子。碳纳米管结构示意图碳纳米管结构示意图 碳纳米管是由石墨片卷曲而成的中空管状结构，直径在零点碳纳米管是由石墨片卷曲而成的中空管状结构，直径在零点几个纳米到几十纳米之间。管壁是一种类似于石墨片的碳六几个纳米到几十纳米之间。管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构。边形网状结构。9:3653单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片 充、放电原理：充、放电原理：eOHNiOOHOHOHNi22充电过程充电过程 正极：正
25、极：负极：负极：OHMHeOHM2放电过程放电过程 正极：正极：负极：负极：OHOHNieOHNiOOH22eOHMOHMH2负极：氢化物电极负极：氢化物电极 正极：正极：Ni(OH)2电极电极电解质：碱溶液（电解质：碱溶液（KOH水溶液水溶液)Ni-MH电池电池Ni/MHx电池充放电过程示意图电池充放电过程示意图9:3656Ni-MH电池电池优点：优点：可吸收高达本身体积可吸收高达本身体积100倍的氢，储存能力极强倍的氢，储存能力极强;镍氢电池的能量密度比镍镉电池大，其容量约为镍氢电池的能量密度比镍镉电池大，其容量约为 镍镉电池的镍镉电池的2倍；倍；用专门的充电器可在一小时内快速充电，内阻较
26、用专门的充电器可在一小时内快速充电，内阻较 低，一般可进行低，一般可进行500次以上的充放电循环，无记次以上的充放电循环，无记 忆效应。忆效应。不含汞和镉，不必回收，为目前最符合环保的电不含汞和镉，不必回收，为目前最符合环保的电 池。池。9:3657Ni-MH 电池与电池与Ni-Cd充电池比较充电池比较镍镉电池镍镉电池(Ni-Cd)优点：优点：可以耐过充电，可重覆约可以耐过充电，可重覆约500次的充放电次的充放电缺点：缺点：充放电时，阴极会长出镉的针状充放电时，阴极会长出镉的针状 结晶，有时会穿透结晶，有时会穿透隔膜隔膜而引起而引起 内部枝状晶体式的短路；内部枝状晶体式的短路；含有镉，有毒，必
27、须回收；含有镉，有毒，必须回收；有记忆效应。有记忆效应。9:3658缺点：缺点：价格高于镍镉电池，性能比锂电池差。价格高于镍镉电池，性能比锂电池差。氢汽车氢汽车一种完全以氢气作为燃料替代汽油的新一种完全以氢气作为燃料替代汽油的新 型汽车。型汽车。氢能汽车类型：氢能汽车类型：放置储氢合金的储氢箱，直接燃烧氢的储氢箱型；放置储氢合金的储氢箱，直接燃烧氢的储氢箱型；利用镍氢电池的电动型；利用镍氢电池的电动型；以燃料电池为动力的燃料电池型。以燃料电池为动力的燃料电池型。储氢箱储氢箱储氢箱内部结构示意图储氢箱内部结构示意图使用两种储氢合金作燃料箱使用两种储氢合金作燃料箱9:3662据PhysOrg网20
28、05年10月24日消息，最近一家名为Engineuity的以色列公司发明了一种能够在汽车内产生氢气的技术系统，而且只需要使用镁和铝等普通金属。这一技术将完全解决汽车在氢气制造、运输和储存方面的所有相关难点。2005年年4月，在上海国际车展上宝马集团展示了以月，在上海国际车展上宝马集团展示了以“宝马清洁能源宝马清洁能源”为主题的新型氢能实验赛车，表为主题的新型氢能实验赛车，表明了使用液氢内燃机驱动汽车的可行性和美好前景。明了使用液氢内燃机驱动汽车的可行性和美好前景。宝马宝马H2R型氢能实验赛车型氢能实验赛车9:3664燃料电池燃料电池1）定义定义 一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化
29、一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。能量转换效率不受为电能的发电装置。能量转换效率不受“卡诺循环卡诺循环”的的限制，能量转换效率高达限制，能量转换效率高达60%-80%。2）热力学计算）热力学计算 a.标准理论可逆电动势标准理论可逆电动势 以水为例：以水为例：b.实际电池的电动势（能斯特方程）实际电池的电动势（能斯特方程）c.电池电压电池电压Er与温度的实用关系为与温度的实用关系为：nFGE/0VnFGE228.1)965002/()237100(/0)ln(2/12220OHOHrnFRTEEnFSTEET)298(298,0,09:36659:36669:36
30、67燃料电池燃料电池燃料电池优点燃料电池优点 a.能量转换效率高，温差电池效率能量转换效率高，温差电池效率10%，太阳电池的效率为太阳电池的效率为20%。b.减少大气污染，普通的火力发电无法相减少大气污染，普通的火力发电无法相比。比。c.特殊场合的应用，载人宇宙飞船。特殊场合的应用，载人宇宙飞船。d.高度的可靠性，模块化结构，负载变化高度的可靠性，模块化结构，负载变化时，响应速度快。时，响应速度快。e.比能量高，补充燃料，即可输出能量。比能量高，补充燃料，即可输出能量。9:3668燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃
31、料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。燃料燃料氧化剂氧化剂阳极阳极阴极阴极电电 解解 质质导电离子导电离子9:36699:36709:3671 按电解质的按电解质的类型类型分：分：a.碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC),以浓以浓KOH为电解质。为电解质。工作温度工作温度80 b.质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)，又称为固，又称为固 体聚合物燃料电池。工作温度在体聚合物燃料电池。工作温度在50-100 c.磷酸燃料电池磷酸燃料电池（PAFC），），200 燃料电池。燃料电池。d.熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），工作温）
32、，工作温 度约度约650。e.固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)，400-1000 。燃料电池的分类燃料电池的分类9:3672碱性碱性燃料电池（燃料电池（Alkaline Fuel Cells）1）碱性燃料电池原理）碱性燃料电池原理 阳极反应：阳极反应：H2+2OH-2H2O+O2 阴极反应：阴极反应：1/2O2+H2O+2e-2OH-理论电动势为：理论电动势为：-1.228 V KOH,NaOH为电解质为电解质2）优缺点）优缺点 碱性介质腐蚀的电极材料，碱性介质腐蚀的电极材料，CO2易使其中毒。易使其中毒。现已基本被现已基本被PEMFC取代。各国相继停止了对其研取代。各国相继停
33、止了对其研究。究。1932英剑桥大学，英剑桥大学，Bacon制造出，制造出，1959年才生产出可年才生产出可工作的工作的5 kW电机。电机。9:3673质子膜燃料电池的工作原理质子膜燃料电池的工作原理)(2122)(22222CathodeOHOeHAnodeeHH2221()2HOH O OverallElectricity9:3674磷酸燃料电池（磷酸燃料电池（Phorphoric Acid Fuel Cell）1）PAFC原理原理 阳极反应：阳极反应：H2-2H+2e-阴极反应：阴极反应：1/2O2+2H+6e-H2O 使用天然气时需要重整，分内重整和外重整两种方式使用天然气时需要重整，
34、分内重整和外重整两种方式2）研究状况）研究状况 日本追加日本追加2亿美元用于亿美元用于MCFC研究，研究，1991年建立年建立30kW,1992年年50-100kW，1997年年1MW。美国美国MCP(熔融碳酸盐能量公司熔融碳酸盐能量公司)1993年制成年制成250kW MCFC 荷兰中断荷兰中断15年年MCFC研究后，研究后，1986年又开始研究，其年又开始研究，其能源中心（能源中心（ECN）成为欧洲）成为欧洲MCFC、SOFC和和PEMFC的测试中心。的测试中心。9:3675磷酸燃料电池磷酸燃料电池9:3676熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel
35、 Cell）1）MCFC原理原理 阳极反应：阳极反应：H2+CO32-2H2O+CO2+2e-阴极反应：阴极反应：1/2O2+2CO2+2e-CO32-2）研究状况）研究状况 美国美国Texas A&M University,California工学院，英国工学院，英国Newcastle大学，意大利大学，意大利CNR-TAE学院，韩国能量研究院，学院，韩国能量研究院，中科院长春应化所，中山，清华等。中科院长春应化所，中山，清华等。a.目前做的最好的是美国目前做的最好的是美国IFC和日本东芝公司和日本东芝公司 b.1987年造价年造价$5500/kW c.目前对目前对PAFC的研究兴趣日益减少。
36、的研究兴趣日益减少。9:3677熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池9:3678固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell）1）SOFC原理原理 通过离子传导陶瓷将燃料和氧化剂气体中的化学能通过离子传导陶瓷将燃料和氧化剂气体中的化学能转化为电能，也称陶瓷燃料膜（转化为电能，也称陶瓷燃料膜（CFC）。分高温）。分高温SOFC和低温和低温SOFC。a.萤石结构：采用氧化钇掺杂的氧化锆做电解质，萤石结构：采用氧化钇掺杂的氧化锆做电解质，Y3+从锆的晶格位置上取代从锆的晶格位置上取代Zr4+,导致晶格缺陷，从而导致晶格缺陷，从而导致离子移动。导致离子移动。b.钙钛
37、矿结构：掺杂的镓酸镧体系。钙钛矿结构：掺杂的镓酸镧体系。阳极反应：阳极反应：2O2-+2H2-2H2O+4e-氢气为燃料氢气为燃料 2CO+2O2-2CO2+4e-CO为燃料为燃料 阴极反应：阴极反应：O2+4e-2O2-9:3679碱性燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池9:3680磷酸型/质子交换膜燃料电池 固体氧化物燃料电池9:36819:36829:36839:3684小型燃料电池小型燃料电池9:36859:36869:3687英国公司英国公司Angstrom Power公司的氢燃料电池单元，每个公司的氢燃料电池单元，每个能产生能产生200毫瓦的电力，重量毫瓦的电力，重量14克。每分钟消耗克。
38、每分钟消耗50至至80毫毫升氢气。升氢气。9:3688熔融碳酸盐熔融碳酸盐 2MW燃料电池发电站燃料电池发电站9:3689燃料电池汽车燃料电池汽车1）燃料电池公共汽车（）燃料电池公共汽车（FCB）1993年第一辆燃料电池大客车由加拿大巴拉德公司开发成功。年第一辆燃料电池大客车由加拿大巴拉德公司开发成功。9:3690氢能量转折动力未来9:3691北京奥运会期间的氢能源公交车北京奥运会期间的氢能源公交车9:36929:3693燃料电池汽车燃料电池汽车2）燃料电池轿车（）燃料电池轿车（FCV）1993年第一辆燃料电池轿车由戴姆勒年第一辆燃料电池轿车由戴姆勒-克莱斯勒公司开发成功。克莱斯勒公司开发成功
39、。9:3694 宝马宝马7系氢动力版系氢动力版 BMW氢能氢能7系装备了能够使用液氢燃料和汽油的系装备了能够使用液氢燃料和汽油的6.0升升V12发动机，最大输出功率为发动机，最大输出功率为260马力，在马力，在4300转转/分钟的分钟的转速下，最大扭矩可达转速下，最大扭矩可达390Nm，在，在9.5秒内即可从零加速秒内即可从零加速到到100公里公里/小时，最高电子限速为小时，最高电子限速为230公里公里/小时。小时。9:3695燃料电池船舶燃料电池船舶 世界范围的世界范围的14%的的NOx和和70%的的SO2有海船排放有海船排放燃料电池机车燃料电池机车 摆脱对电网的依赖，防止大面积停电对地铁的
40、影响。摆脱对电网的依赖，防止大面积停电对地铁的影响。燃料电池飞机燃料电池飞机 2003年波音公司计划在大型飞机上安装燃料电池，供年波音公司计划在大型飞机上安装燃料电池，供照明、供暖和乘客娱乐用的辅助电源。照明、供暖和乘客娱乐用的辅助电源。2004年在北京召开的第二届国际氢能论坛，中国自主年在北京召开的第二届国际氢能论坛，中国自主开发的燃料电池公汽开到人民大会堂。开发的燃料电池公汽开到人民大会堂。9:36961）社区用分布式电站）社区用分布式电站 a.分布式概念从分布式概念从1978年美国公共事业管理政策法公布，被发达国家接受。年美国公共事业管理政策法公布，被发达国家接受。它可以热电联产或热电冷
41、联产。它可以热电联产或热电冷联产。b.目前主要有目前主要有PAFC,MCFC,SOFC,PEMFC等等2）家庭用燃料电池电站）家庭用燃料电池电站 a.价格因素：美国对家用燃料电池调查，价格因素：美国对家用燃料电池调查，49%的人接受的人接受$5000,29%接接受受$3000，20%的人接受大于的人接受大于$10000。b.可靠性：可靠性：36%的人会考虑。的人会考虑。3)微型燃料电池电源微型燃料电池电源 a.3G和和Wi-Fi技术要求更高的的电池容量。技术要求更高的的电池容量。b.微型燃料电池的燃料：甲醇、天然气（甲烷）、氢气、无机化合物微型燃料电池的燃料：甲醇、天然气（甲烷）、氢气、无机化
42、合物等等 c.笔记本电源和手机电源。笔记本电源和手机电源。9:3697氢内燃机汽车氢内燃机汽车1）2003年福特公司氢内燃机越野车年福特公司氢内燃机越野车 高压氢气为燃料（高压氢气为燃料（70MPa），四缸），四缸2.3L,一次可行使一次可行使500 km。2）德国宝马公司）德国宝马公司 液氢为燃料，功率液氢为燃料，功率250kW，最高速度，最高速度250 km/h，百公里耗，百公里耗氢氢2.3 kg，氢气容量，氢气容量190 L，一次加氢，可行使，一次加氢，可行使580 km3）马自达公司）马自达公司 开发氢气转子发动机。开发氢气转子发动机。制约氢内燃机汽车的因素：车载储氢方法，加氢站少。制
43、约氢内燃机汽车的因素：车载储氢方法，加氢站少。氢内燃机飞机氢内燃机飞机欧洲空中客车公司，美国波音公司等制定了氢气内燃机的发欧洲空中客车公司，美国波音公司等制定了氢气内燃机的发展规划展规划9:3698 闪存型闪存型MP3播放器只需播放器只需3.5ml燃料就燃料就可以提供可以提供35小时播放时小时播放时间，内置微间，内置微硬盘型号仅硬盘型号仅靠靠10ml燃料燃料就可以工作就可以工作60小时小时19:3699DoCoMo对外展示外置式燃料电池手机充电器对外展示外置式燃料电池手机充电器9:36100 操作人员操作人员 a.防寒防冻手套，防止液氢冻伤。防寒防冻手套，防止液氢冻伤。b.穿不产生静电的工作服。穿不产生静电的工作服。c.穿电阻率小于穿电阻率小于108 .cm的专用导电鞋的专用导电鞋 d.着火时采用泡沫或干粉灭火器，着火时采用泡沫或干粉灭火器，CO2灭火器尽量少用。灭火器尽量少用。9:361019:36102谢谢大家的倾听!
