《可再生能源概论 教学课件 ppt 作者 左然 施明恒 第十章 氢能与燃料电池_new》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可再生能源概论 教学课件 ppt 作者 左然 施明恒 第十章 氢能与燃料电池_new（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十章 氢能与燃料电池,席反应。使用 PowerPoint 可以跟踪演示时的即席反应， 在幻灯片放映中，右键单击鼠标 请选择“会议记录” 选择“即席反应”选项卡 必要时输入即席反应 单击“确定”撤消此框 此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。,氢能:一种新的清洁的二次能源。 电能、汽油、柴油、酒精:传统的二次能源。 氢能可以输送、储存、大规模生产和可再生利用，同时 对环境友好，基本上没有环境污染。 氢能源正处于技术开发阶段。到本世纪中叶，氢有可能 将取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。,10.1 氢元素和氢能,氢的物理化学性质 氢是已知元素中最轻的元素，原子量1.00
2、8。在常温下是气体，沸点-252.87，凝固点-259.14。 氢气在常温下为无色无臭的气体，密度是空气0.0689倍。氢气的导热性很高。固态氢具有金属性和超导性。氢能是由氢元素燃烧或化学反应时所释放出的能量，主要以热能或化学能的形式出现。,图10-1 未来能源结构体系的展望,氢气燃烧的特点 发热值高； 点燃快，燃点高，燃烧性能好,燃烧效率高； 是一种清洁燃料。,10.2 氢的制备,通常所指的氢能，指游离的分子氢H2所具有的能量。虽然地球上氢元素含量十分丰富，但是游离的分子氢却十分的稀少。大气中游离的H2仅有二百万分之一。 氢通常以化合物的形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。要从这些物质中获得
3、氢，需要消耗大量的能量。因此，为了实现氢能的大规模应用，最关键的是要找到一种廉价低能耗的制氢方法。,制备氢的四种方法: 甲烷或碳与水蒸气反应制氢 采用煤、石油或天然气等化石燃料，在高温下与水蒸气发生催化反应，其反应方程为：,甲烷催化水蒸气重整反应,煤气化制氢反应,甲醇催化裂解反应,电解水制氢 利用外加电能对水进行电解来产生氢气。电解的反应为：,图10-2 电解水制氢原理,阳极,阴极,电池反应,热化学制氢 从水中制氢，也可以通过高温化学反应的方法进行。按照反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系、卤化物体系、含硫体系和杂化物体系四种反应体系。,各种体系的反应过程可以写成一种通用形式：,总反
4、应为,固体生物质制氢 固体生物质制氢的基本工艺为：将生物质气化或热裂解，生成合成气。合成气中的碳氢化合物再与水蒸气发生催化重整反应，生成H2和CO2。,整个反应式为：,另外，还有以下两种制氢方法： 核能热利用制氢 利用核反应堆生成的热能或电能作为能源来进行制氢。 太阳能制氢 太阳能热分解水制氢 太阳能电解水制氢 太阳能直接光解水制氢 人工光合成作用制氢 生物制氢 太阳能半导体光催化制氢,10.3 氢的储存,由于氢的质量小，常温下是气态，其单位体积的含能量要比常规能源小得多，且易燃（475）、易爆（1559）。当作为燃料时，又具有分散性和间断使用的特点，因此氢的存储难度很大。 目前可以采用的储氢
5、方法有下列几种：,高压储存 将氢气压缩成高压（1540MPa），装入钢瓶中储存和运输。常用的压缩机有离心式、辐射式和往复活塞式，其中离心式处理量最大。 储氢容器可分为四类，即： 1、全金属容器； 2、可承重的金属材料作衬里，外包饱和树脂纤维的容器； 3、不可承重的金属材料作衬里，外包饱和树脂纤维； 4、全非金属容器。压力为35MPa的由碳化纤维制成的高压气瓶已足够汽车使用。,液态储存 将氢气冷却到20K左右，氢气将被液化，体积大大缩小，然后储存在绝热的低温容器中。液态氢的体积含能量很高，常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的体积能量密度比高压气态贮存高好几倍，已在宇航中作为燃料获得应
6、用。 氢气液化装置主要包括加压器、换热器、膨胀机和节流阀。最常用的氢液化循环是林德（Linde）循环或节流循环。,固态金属氢化物储氢 由于氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当氢和氢化金属形成氢化物时，氢就以固态的形式存储于氢化物中。当需要用氢时，通过加热，氢化物就可以放出氢气。目前已经发展的氢化金属有Li、Mg和Ti的合金，如Mg2NiH4和FeTiH1.95等。 金属氢化物储氢安全、储存容量大、使用方便、运输简单，是氢气储存中最方便且最有发展前景的一种储氢方法。,其他储氢方法 配位氢化物储氢 有机物储氢 玻璃微球储氢 地下储氢 物理吸附储氢,10.4 燃料电池的基本原理,燃料电池的特点 燃料
7、电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。 清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮机等大型设备、没有SO x、NO x气体和固体粉尘的排放。 可靠性和操作性良好，噪声低。 所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。,燃料电池的组成和工作原理 燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。,图103 燃料电池的基本单元,燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例） （1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应： （2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及负 载也达到阴极。在阴极催化剂的作用下，生成水反应式为： （3）综合起来，氢氧燃料电池中总的电池反应
8、为： 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。,对于不同的电解质，燃料电池中发生的电化学反应也不一 样。,图104 不同电解质类型的电化学反应原理图,燃料电池的电能转化效率和电池电动势随电池的工作温度 和压力的变化而变化,图10-5 可逆氢氧燃料电池效率和电动势曲线,电池极化 对于实际电池来说，当电流通过电池时，电极上会发生一系列物理、化学过程，例如气体扩散、吸附、溶解等。这些过程都会产生阻力，电池反应要进行下去，就必须消耗一部分自身能量去克服这些阻力。因此实际的电极电位就低于可逆理想电位。这种现象称为电池极化。 电池极化是由于电池中有净电
9、流通过时所产生的电化学现象。极化可以分成三类： 活化极化act 浓差极化con 欧姆极化,图106 典型的燃料电池极化曲线,燃料电池效率 燃料电池效率是反应其在能量转换过程中能量损 失大小的一个量。燃料电池效率的定义为 ：,燃料在可逆过程中，燃料电池的理想效率（热力学效率）为：,燃料电池中的催化作用 燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。 催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。 *评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电 导率和
10、经济性。,10.5 燃料电池的分类及特征,燃料电池按电解质的不同，可以分成五类： 碱性燃料电池（AFC） 磷酸型燃料电池（PAFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 按工作温度的不同,燃料电池可分成低温、中温和高温三类。,碱性燃料电池（AFC） AFC的工作原理：基本上是水电解的逆过程。它以氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，溶液的质量分数一般为3045，最高可达80。 AFC燃料电池的电化学反应为 阳极反应 阴极反应 整个电池反应,AFC电池结构 电解质保持在多孔体中的基体型。基体主要是石棉膜，它饱吸KOH溶液。电池成多孔叠层结
11、构 自由电解质型。电解质是自由流体，电池设有电解质循环系统，可以在电池外部冷却电解质和排出水分。电极以电解液保持室隔板的形式粘结在塑料制成的电池框架上，然后再加上镍隔板做成的双极板，构成单电池。,1氧支撑板 2氧蜂窝（气室） 3氧电极 4石棉膜 5氢电极 6氢蜂窝（气室） 7氢支撑板 8排水膜 9排水膜支撑板 10除水蜂窝（蒸发室） 11除水蜂窝板,图107 静态排水的氢氧隔膜型燃料电池单体示意图（基本型）,图108 碱性燃料电池的结构（自由电解质型）,图109 培根AFC电池系统,磷酸型燃料电池（PAFC） PAFC以磷酸水溶液为电解质，重整气为燃料，以空气为氧化剂。 PAFC燃料电池中的电
12、化学反应为 阳极反应 阴极反应 整个电池反应,PAFC的基本构造,图1010 磷酸型燃料电池的基本构造,图1011 美国40KW PAFC电站系统工艺流程图,固体氧化物燃料电池（SOFC） SOFC以重整气（H2+CO）为燃料，空气为氧化剂。采用氧化钇稳定的氧化锆基固体电解质。 SOFC电池反应：,图1012 SOFC电池反应,SOFC电池的工作过程与其他燃料电池有所不同。由于固体电解质不允许电子和氢离子通过，而只允许带负电的氧离子通过，因此它的电池反应为 阳极反应 阴极反应 整个电池反应为,SOFC电池的结构 薄膜型板式 管式,图10-13 SOFC单电池的结构型式简图：(a)管式；(b)平
13、板式,图1014 世界上第一套SOFC和微型燃气轮机复合的发电系统示意图,熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） MCFC采用碱金属锂（Li）、钠（Na）和钾（K）的碳酸盐 为电解质，以H2和CO2为燃料气，O2和CO2为氧化剂。由于 MCFC中阳极生成而阴极消耗，所以电池中需要CO2的循环系 统。,图1015 MCFC电池中CO2循环示意图,熔融碳酸盐燃料电池的电化学反应为： 阳极反应： H2+ CO32 -H2O+CO2+2e CO+ CO32 -CO2+2e 阴极反应： CO2+1/2O2+2eCO32- 整个电池反应： H2+1/2O2+CO2(a)H2O+CO2(c),MCFC燃料电池的结构
14、,图10-16 MCFC燃料电池结构示意图,图1017 MCFC发电厂流程图,质子交换膜燃料电池（PEMFC） PEMFC以固体电解质膜为电解质。电解质不传导电子，是氢离子的良导体。PEMFC采用氢气、液态烃或甲醇作为燃料，氧或空气作为氧化剂。 PEMFC电池的工作原理是：氢气和氧气通过双极板的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，再通过电极上的扩散层到达质子交换膜。,质子交换膜燃料电池的电化学反应为： 阳极反应： 阴极反应： 整个电池反应为：,图1018 PEMFC剖面图,PEMFC的电极常被称 为膜电极组件，它是 指质子交换膜和其两 侧各一片多孔气体扩 散电极（涂有催化剂 的多孔碳布）组成的
15、阴、阳极和电解质的 复合体。,图1019 膜电极结构示意图,图1020 常见的PEMFC双极板流道设计,PEMFC的单电池结构,图1021 PEMFC的单电池结构图,图1022 典型的PEMFC系统示意图,直接甲醇燃料电池（DMFC）,图1023 DMFC结构示意图,直接甲醇燃料电池的全称应为直接甲醇质子交换膜燃料电池，其工作原理与常规的以氢为燃料的质子交换膜燃料电池基本相同，不同之处在于DMFC的燃料为甲醇（可以是气态或液态，但主要是液态），氧化剂仍是氧或空气。工作温度50100。,DMFC的电化学反应为： 阳极反应： 阴极反应： 整个电池反应：,10.6 燃料电池的发展现状和应用前景,发展概况 发展历程 1839年,英国人 W.Grove发明燃料电池。 20世纪初，Nernst、Harber等人对直接碳氧燃料电池进行了研究。 上世纪60年代以后，由于空间计划的发展，燃料电池逐渐成为各国的研究热点。 70年代中期，磷酸型燃料电池开始取代碱性燃料电池，成为发电的主要形式之一。 ,燃料电池的关键技术 电催化过程的机理和新型高效电极催化剂的研制； 电解质和集流体材料的研究开发以及它们与电极的紧密接触问题； 燃料电池中的水管理和热管理，相应的排水、排热以及余热综合利用技术； 燃料的来源及其储存问题；,燃料电池的应用前景 燃料电池电站 车载燃料电池 微小型便携式燃料电池,
