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1、第七讲 氢能和燃料电池,氢的特点 氢能应用的关键问题 氢的制取 氢的储存和运输,能源与动力工程学院,华北电力大学,发展氢能的原因,煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。 矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开采而枯竭。 当前在设法降低现有常规能源（如煤、石油等）造成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势所趋。,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢作为化学能的载能体，和大气中的氧燃烧或反应后，只生成水 氢是一种清洁的能量载体；氢能和电能一样，没有直接的资源蕴藏，都需要从别的一次能源转化得到，所以，氢能是一种二次能源,氢能是取之不尽用之不竭
2、的洁净能源,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢气是最清洁的燃料,氢的原料是丰富的水，氢可由多种一次能量制出故没有资源的限制 氢的燃烧生成物是水，不污染环境 与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环 与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易 氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等 氢能可由燃料电池直接用来发电 氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可广泛用于电池等 氢可广泛用作化工等的原料,能源与动力工程学院,华北电力大学,科学家认为，氢能在二十一世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源 燃料电池系统是氢能利用的最佳方案和新技术平台，是火力
3、发电、水力发电、原子能发电之后的第四大发电方式。,能源与动力工程学院,华北电力大学,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢能系统,氢能系统,氢能系统,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢的特点,所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。 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10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 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75，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，如把海水中的
4、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90O0倍。 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/kg，是汽油发热值的3倍。,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢的特点,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碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘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。 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发
5、动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。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。 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。,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢能应用的关键问题,廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。 安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。 大规模高效利用氢能的末端技术,能源与动力
6、工程学院,华北电力大学,氢的制取,传统的制氢技术 烃类水蒸气重整制氢法、 重油（或渣油）部分氧化重整制氢法 电解水法。 新制备方法 生物制氢 利用工农业副产品制氢的技术也在发展。 热化学循环制氢 太阳能 地热能 核能等,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢的制取,能源与动力工程学院,华北电力大学,氢的储存,高压气态贮存 低温液氢贮存 金属氢化物贮存,能源与动力工程学院,华北电力大学,高压气态贮存,气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。 为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。 一般一个充气压力为20MPa的高压钢瓶贮氢重量只占1.6；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5。为提高贮
7、氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，它是一微型球床。微型球系薄壁（11Om），充满微孔（10100m），氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。,能源与动力工程学院,华北电力大学,低温液氢贮存,将氢气冷却到-253，即可呈液态，然后，将其贮存在高 真空的绝热容器中。 液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30150m，中间是空心的，壁厚l 5m。在部分微珠上镀上厚度为1m的铝。由于这种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间的对流换
8、热；将部分镀铝微珠（一般约为35）混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。,能源与动力工程学院,华北电力大学,金属氢化物贮存,氢与氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金 属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中。 用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。 稀土镧镍等，每公斤镧镍合金可贮氢153L。 铁一钛系，它是目前使用最多的贮氢材料，其贮氢量大，是前者的4倍，且价格低、活性大，还可在常
9、温常压下释放氢，给使用带来很大的方便。 镁系，这是吸氢量最大的金属元素，但它需要在287下才能释放氢，且吸收氢十分缓慢，因而使用上受限制。 钒、铌、锆等多元素系，这类金属本身属稀贵金属，因此只适用于某些特殊场合。,能源与动力工程学院,华北电力大学,金属氢化物贮存,目前在金属氢化物贮存方面存在的主要问题是 贮氢量低，成本高及释氢温度高。 带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动式，它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源，也可用于吸收废热，储存太阳 能，还可作氢泵或氢压缩机使用。,能源与动力工程学院,华北电力大学,金属氢化物贮存,氢虽然有很好的可运输性，但不论是气态氢还是液氢，它们在使用过程中都存在
10、着不可忽视的特殊问题。 首先，由于氢特别轻，与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大，即使液态氢也是如此。 其次，氢特别容易泄漏，以氢作燃料的汽车行驶试验证明，即使是真空密封的氢燃料箱，每24h的泄漏率就达2，而汽油一般一个月才泄漏1。因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门等都要采取特殊的密封措施。 第三， 液氢的温度极低，只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤，因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。,能源与动力工程学院,华北电力大学,燃料电池,燃料电池(Fuel Cell)的基本原理及组成 燃料电池的分类 质子交换膜燃料电池特点及研发应用现状 燃料电池的发展趋势,
11、能源与动力工程学院,华北电力大学,燃料电池的定义及其分类,定义：燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。,分类：根据工作温度可分为低温型（低于100）、中温型（100-300）和高温型（600-1000）三种。根据电解质的种类可分为：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和聚合物离子膜燃料电池(PCMFC)。,能源与动力工程学院,华北电力大学,燃料电池的
12、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。,能源与动力工程学院,华北电力大学,1.1燃料电池(Fuel Cell) 的基本原理,燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 下图为燃料电池基本原理示意图。,能源与动力工程学院,华北电力大学,燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧
13、气或空气，电解质可为水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融盐（NaCO3、K2CO3）、固体聚合物、固体氧化物等。 发电时，燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。,能源与动力工程学院,华北电力大学,它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维持电池工作温度
14、的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。,能源与动力工程学院,华北电力大学,1.2燃料电池系统组成,单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。 1 燃料电池组 2 辅助装置和关键设备： (1)燃料和燃料储存器 (2)氧化剂和氧化剂存储器 (3)供给管道系统和调节系统（包括气体输送泵、热交换器、气体分离和净化装置） (4)水和热管理系统,能源与动力工程学院,华北电力大学,1.3燃料电池系统发展,1839年英国的Gro
15、ve发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯 剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。,能源与动力工程学院,华北电力大学,在中国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的
16、研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。,能源与动力工程学院,华北电力大学,2燃料电池的分类,燃料电池依据其电解质的性质而分为不同的类型，每类燃料电池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的应用。按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类： 1 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 2 碱性燃料电池（alkaline fuel cell-AFC） 3 磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 4 熔化的碳酸盐燃料电池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 5 固态氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell-SOFC）,能源与动力工程学院,华北电力大学,2.1质子交
