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1、新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术制作人：制作人：朱永强朱永强, , 丁泽俊丁泽俊, , 许许 郁郁华北电力大学华北电力大学新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确震惊世界的爆炸震惊世界的爆炸读一下教材第读一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受到氢能的巨章的引例故事，相信你一定能感受到氢能的巨大威力大威力如果氢的能量只被用于改善人类的生存和生活条如果氢的能量只被用于改善人类的生存和生活条件，那么将是人类的一大福音。件，那么将是人类的一大福音。 新能源
2、与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8 氢能与燃料电池氢能与燃料电池关注的问题关注的问题怎样才能从各种化合物中制取氢气？怎样才能从各种化合物中制取氢气？氢气应该如何保存？氢气应该如何保存？燃料电池是怎样工作的？燃料电池是怎样工作的？燃料电池有哪些类型？燃料电池有哪些类型？各种燃料电池的原理和特点？各种燃料电池的原理和特点？燃料电池可以在哪些场合应用？燃料电池可以在哪些场合应用？教学目标教学目标了解氢和氢能的特点及其利用情况，了解氢和氢能的特点及其利用情况，掌握主要的
3、氢的制取和储存方式，掌握主要的氢的制取和储存方式，了解燃料电池的工作原理和主要类型，了解燃料电池的工作原理和主要类型，理解燃料电池的特点和应用价值。理解燃料电池的特点和应用价值。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.1 氢和氢能概述氢和氢能概述8.1.1 氢和氢能氢和氢能氢是宇宙中氢是宇宙中最丰富的元素最丰富的元素，在地球上的含量排，在地球上的含量排第三第三。除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以化合物化合物形态存在
4、，形态存在，主要存在主要存在水水中。中。若把全球水中的氢都提炼出来，约有若把全球水中的氢都提炼出来，约有15亿亿吨，所产生的热亿亿吨，所产生的热量是地球上量是地球上化石燃料的化石燃料的9000倍倍。氢在元素周期表中排在首位，是已知氢在元素周期表中排在首位，是已知最轻的元素最轻的元素。标准状态下，。标准状态下，氢气为氢气为无色无味的气体无色无味的气体，密度是空气的，密度是空气的1/14.5。发现故事：发现故事：氢的发现和命名氢的发现和命名新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的
5、问题也很明确8.1.2 氢能及其利用方式氢能及其利用方式氢能氢能主要是指氢元素主要是指氢元素燃烧燃烧、发生、发生化学反应化学反应或或核聚变核聚变时释放的能时释放的能量。量。想一想：氢能是一次能源还是二次能源？想一想：氢能是一次能源还是二次能源？利用氢能的方式利用氢能的方式很多，包括：很多，包括：直接作为燃料直接作为燃料提供热能提供热能或在热力或在热力发动机中做功发动机中做功；制造制造燃料电池燃料电池，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；利用氢的利用氢的热核反应热核反应释放出核能；等等。释放出核能；等等。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能
6、与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）氢燃料）氢燃料氢的氢的含热量很高含热量很高，燃烧时释放热量，燃烧时释放热量140MJ/kg。氢气氢气燃烧性能燃烧性能好，点燃快，燃点高，混入好，点燃快，燃点高，混入4%74%的空气时仍的空气时仍能稳定燃烧。能稳定燃烧。氢是氢是最清洁最清洁的燃料，燃烧后只生成水和微量的氮化氢。氮化氢的燃料，燃烧后只生成水和微量的氮化氢。氮化氢经适当处理后也不污染环境。经适当处理后也不污染环境。将来，氢有可能取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。将来，氢有可能取代石油，成为使用最广泛的燃料之一
7、。8.1.2 氢能及其利用方式氢能及其利用方式新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2）氢的核聚变）氢的核聚变氢的核能利用，理论基础是爱因斯坦的氢的核能利用，理论基础是爱因斯坦的相对论相对论。发生质量亏损。发生质量亏损时释放出的能量为时释放出的能量为E = mc2。1g1g的氢聚变为氦，质量损失的氢聚变为氦，质量损失0.711%0.711%，能释放多少能量？，能释放多少能量？氢的氢的核聚变能量核聚变能量比铀原子核裂变释放的能量大若干倍。比铀原子核裂变释放的能量
8、大若干倍。且核聚且核聚变过程中变过程中没有放射性没有放射性，对环境，对环境无污染无污染。一旦受控的氢核聚变获得成功，人类的能源与环境问题将得到一旦受控的氢核聚变获得成功，人类的能源与环境问题将得到根本的解决。根本的解决。8.1.2 氢能及其利用方式氢能及其利用方式新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（3）氢燃料电池）氢燃料电池参见后面参见后面燃料电池燃料电池的内容。的内容。8.1.2 氢能及其利用方式氢能及其利用方式氢能可以输送、储存、大规模生产并且能再生利用
9、，基本无污氢能可以输送、储存、大规模生产并且能再生利用，基本无污染，具有无可比拟的潜在开发价值。染，具有无可比拟的潜在开发价值。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确16世纪世纪就有人在就有人在金属与酸金属与酸的反应中的反应中得到过氢气得到过氢气。1766年年有论文详细介绍了氢气的有论文详细介绍了氢气的制备方法和性质制备方法和性质。1938年年，有人提出以氢为，有人提出以氢为航空器燃料航空器燃料的设想。的设想。1950s，加拿大尝试把氢作为，加拿大尝试把氢作为普
10、通内燃机燃料普通内燃机燃料，美国开始研究，美国开始研究用用液氢液氢作为军用飞机的作为军用飞机的飞行燃科飞行燃科。8.1.3 氢能的应用历史氢能的应用历史由于液氢的优良燃烧特性和能量密度，广泛的用于卫星和航天由于液氢的优良燃烧特性和能量密度，广泛的用于卫星和航天器的器的火箭发动机火箭发动机中。中。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确1960s1960s以后，以后，燃料电池燃料电池发展起来，又给氢能的利用开辟了一个发展起来，又给氢能的利用开辟了一个新的领域。新的领
11、域。以以液氢为原料液氢为原料的燃料电池的燃料电池电动车电动车，已进入商业化生产阶段。，已进入商业化生产阶段。8.1.3 氢能的应用历史氢能的应用历史氢能和平利用的氢能和平利用的终极梦想终极梦想就是受控的就是受控的氢核聚变氢核聚变。其原料可直接。其原料可直接取自海水中的氘。取自海水中的氘。科学家预测，科学家预测，氢能和电能氢能和电能将成为未来能源体系的将成为未来能源体系的两大支柱两大支柱。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.2 氢的制取氢的制取氢能氢能，通常
12、指游离的，通常指游离的分子氢分子氢H2所具有的能量。所具有的能量。地球上的氢元素相当丰富，但地球上的氢元素相当丰富，但游离态的很稀少游离态的很稀少。氢通常以化合物形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。从这氢通常以化合物形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。从这些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）煤为原料制氢）煤为原料制氢煤制氢的本质是煤制氢的本质是用碳置换用碳置换水中的水中的氢氢，生成，
13、生成H2和和CO2。发生的化发生的化学反应是学反应是C+2H2OCO2+2H2方法主要有两种：方法主要有两种：一是煤的焦化一是煤的焦化，隔绝空气隔绝空气以以9001000高温高温制取制取焦碳焦碳，副产，副产品为品为焦炉煤气（含焦炉煤气（含5560的氢气）的氢气）。二是煤的气化二是煤的气化，在高温下与，在高温下与水蒸汽水蒸汽或或氧气氧气(空气空气)等发生反应转等发生反应转化成气体产物。氢气含量与气化方法有关。化成气体产物。氢气含量与气化方法有关。8.2.1 化石燃料制化石燃料制氢氢新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而
14、问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2）天然气制氢）天然气制氢天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主要有两种。天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主要有两种。天然气蒸汽转化天然气蒸汽转化制氢，其化学反应为制氢，其化学反应为CH4 + 2H2O 4H2 +CO2这种传统制氢过程伴有大量的二氧化碳排放。这种传统制氢过程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷甲烷(催化催化)高温裂解制氢高温裂解制氢，制取，制取H2的同时，还能得到碳，而不的同时，还能得到碳，而不向大气排放向大气排放CO2。该法技术简单，但是制造成本不低。该法技术简单，但是制造成本不低。8.2.1 化石燃料制化石燃料
15、制氢氢新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（3）重油部分氧化制氢）重油部分氧化制氢重油部分氧化重油部分氧化过程中碳氢化合物与过程中碳氢化合物与O2、水蒸气反应生成、水蒸气反应生成H2和和CO2。要在要在一定的压力一定的压力下进行，可能还需要采用催化剂。下进行，可能还需要采用催化剂。制得的制得的氢主要来自水蒸气氢主要来自水蒸气。8.2.1 化石燃料制化石燃料制氢氢目前，氢气大多是以目前，氢气大多是以石油、天然气和煤石油、天然气和煤为主要原料制取的。为主要原料制取
16、的。化石燃料制造氢气的传统方法，会化石燃料制造氢气的传统方法，会排放大量的温室气体排放大量的温室气体，对环，对环境不利。境不利。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。8.2.2 水分解制水分解制氢氢（1）电解水制氢）电解水制氢水的水的电解过程电解过程就是在就是在导电的水溶液导电的水溶液中通中通电电，将水分解成，将水分解成H2 和和O2。其反应式为：其反应式为：水电解操
17、作简便，制得的水电解操作简便，制得的氢气纯度高氢气纯度高，但需，但需消耗电能消耗电能。常压下电解制氢的能量效率一般在常压下电解制氢的能量效率一般在70%左右。为提高效率，通左右。为提高效率，通常在常在3.05.0MPa的压力下进行。的压力下进行。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2）高温水蒸气分解制氢）高温水蒸气分解制氢水直接分解需要水直接分解需要2227以上的温度，工程实现难度很大。为以上的温度，工程实现难度很大。为降低分解温度，可采用多步骤热化学反应制
18、造氢气。降低分解温度，可采用多步骤热化学反应制造氢气。其化学反应通式为其化学反应通式为X为为中间媒体中间媒体，仅参与反应，并不消耗，但是因其反应呈气态，仅参与反应，并不消耗，但是因其反应呈气态，很易和氧气发生反应而重新生成氧化物。因此，需将它们从产很易和氧气发生反应而重新生成氧化物。因此，需将它们从产物中分离出来。整个过程仅仅消耗水和一定的热量。物中分离出来。整个过程仅仅消耗水和一定的热量。8.2.2 水分解制水分解制氢氢新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（
19、3）等离子体制造氢气过程）等离子体制造氢气过程用用电场电弧电场电弧能将水加热到能将水加热到5000，分解成，分解成H、H2、O、O2、OH和水。和水。要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不再和氧结合。要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不再和氧结合。该过程该过程能耗很高能耗很高，因而制氢，因而制氢成本很高成本很高。8.2.2 水分解制水分解制氢氢我国的氢气生产，除了用我国的氢气生产，除了用化石燃料化石燃料以外，其余的主要都通过以外，其余的主要都通过水水电解法电解法生产。不产生温室气体，但是生产成本较高。生产。不产生温室气体，但是生产成本较高。趣闻：趣闻：神秘的海面大火神秘的海面大火新能
20、源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）生物质气化制氢）生物质气化制氢将生物质原料将生物质原料压制成型压制成型，在，在气化炉气化炉（或裂解炉）中进行反应制（或裂解炉）中进行反应制得得含氢的混合燃料气含氢的混合燃料气。其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成H2 和和CO2（参（参见天然气制氢）见天然气制氢）。8.2.3 生物制生物制氢氢新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师
21、总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2）微生物制氢）微生物制氢在常温常压下利用在常温常压下利用微生物微生物进行进行酶催化酶催化反应制得氢气。反应制得氢气。用于制氢的微生物有两大类：用于制氢的微生物有两大类：光合细菌光合细菌或藻类，或藻类，在光照作用下使有机酸分解出在光照作用下使有机酸分解出H2和和CO2；厌氧菌厌氧菌，利用碳水化合物及蛋白质等，利用碳水化合物及蛋白质等，发酵产生发酵产生H2、CO2和有机酸。和有机酸。江河湖海中的某些藻类、细菌，有这种功能。江河湖海中的某些藻类、细菌，有这种功能。8.2.3 生物制生物制氢氢新能源与分布式发电新能
22、源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）间接制氢）间接制氢太阳能间接制氢法主要是太阳能间接制氢法主要是太阳能发电太阳能发电电解水制氢电解水制氢。未来未来规模化规模化制氢最具有吸引力且最具现实意义的途径。制氢最具有吸引力且最具现实意义的途径。8.2.4 太阳能制太阳能制氢氢（2）直接制氢）直接制氢（两种方法）（两种方法）热分解法热分解法，用用太阳能太阳能直接直接裂解水裂解水，得到氢和氧。须将水加热至，得到氢和氧。须将水加热至很高温度，反应才有实际应用的可能，困难较大。很高温度，反应
23、才有实际应用的可能，困难较大。光分解法光分解法，光量子光量子可使水等含氢化合物分子中氢键断裂，效率可使水等含氢化合物分子中氢键断裂，效率较低。较低。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.3 氢的储存氢的储存氢能的储存很关键，是目前氢能开发的主要技术障碍。氢能的储存很关键，是目前氢能开发的主要技术障碍。标准状态下标准状态下氢的密度氢的密度是是空气的空气的1/14.5，氢气氢气很难高密度很难高密度储存。储存。而且，氢还是而且，氢还是易燃易燃、易爆易爆的高能燃料。
24、的高能燃料。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确安全性安全性最重要，不过在设计时都会充分考虑，并且在使用中多最重要，不过在设计时都会充分考虑，并且在使用中多能够满足。能够满足。单位质量储氢密度单位质量储氢密度，即，即储氢质量储氢质量与整个与整个储氢单元储氢单元的的质量之比质量之比，是衡量氢气储运技术是否先进的主要指标。是衡量氢气储运技术是否先进的主要指标。8.3.1 对储氢系统的要求对储氢系统的要求储氢设备储氢设备使用的方便性使用的方便性也是很重要的要求，例如
25、充放氢气的时也是很重要的要求，例如充放氢气的时间、使用的环境温度等。间、使用的环境温度等。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确可以像天然气一样用可以像天然气一样用密封罐密封罐低压储存，不过因氢气密度太低，低压储存，不过因氢气密度太低，只只适合大规模储存适合大规模储存，应用不多。，应用不多。一般将氢气压缩到一般将氢气压缩到1540MPa高压高压，装入钢瓶中储存和运输。，装入钢瓶中储存和运输。8.3.2 氢气的储存氢气的储存新型复合高压氢气瓶新型复合高压氢气瓶（耐
26、压（耐压35MPa）储氢密度可达）储氢密度可达2%。高压储氢高压储氢动态响应最好，能瞬间通断，实际使用最广泛。动态响应最好，能瞬间通断，实际使用最广泛。不过不过有安全隐患有安全隐患。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确氢气在氢气在-252.7低温下可以变为液体。液体的氢可以储存在绝低温下可以变为液体。液体的氢可以储存在绝热的低温容器中。热的低温容器中。液氢的液氢的单位体积含能量很高单位体积含能量很高，比高压气态储存高好几倍。，比高压气态储存高好几倍。液氢的理论
27、体积密度只有液氢的理论体积密度只有70kg/m3。考虑容器和附件的体积，。考虑容器和附件的体积，储氢密度储氢密度还远达不到这一数值。还远达不到这一数值。液氢储运的最大液氢储运的最大优点优点是是质量储氢密度高质量储氢密度高，目前可做到，目前可做到5%以上，以上，存在的存在的问题问题是是蒸发损失蒸发损失与与成本成本问题。问题。8.3.3 液液氢的储存氢的储存大的液氢储罐存在大的液氢储罐存在热分层问题热分层问题。因此，大的储罐都备有缓慢的。因此，大的储罐都备有缓慢的搅拌装置搅拌装置以以阻止热分层阻止热分层。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让
28、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确某些金属某些金属具有具有捕捉氢的能力捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，能，在一定的温度和压力条件下，能大量大量“吸收吸收”氢气，发生化学反应生成氢气，发生化学反应生成金属氢化物金属氢化物。需要用氢时，可将这些金属氢化物需要用氢时，可将这些金属氢化物加热加热，使其，使其分解分解，将储存在，将储存在其中的其中的氢释放氢释放出来。出来。金属氢化物的金属氢化物的储氢容量较大储氢容量较大，相同温度、压力，体积储氢密度，相同温度、压力，体积储氢密度是氢气的是氢气的1000倍。倍。由于由于储存容量大储存容量大、储运安全方便储
29、运安全方便等优点，金属氢化物储氢可能等优点，金属氢化物储氢可能最有发展前景。最有发展前景。8.3.4 固体金属氢化物储存固体金属氢化物储存新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（1）有机物储氢）有机物储氢主要是主要是苯苯和和甲苯甲苯，与氢反应生成环己烷或甲基环己烷，在，与氢反应生成环己烷或甲基环己烷，在0.1MPa、室温下呈液态，通过催化脱氢反应又可产氢。、室温下呈液态，通过催化脱氢反应又可产氢。此方式有此方式有储氢量大、能量密度高、储存设备简单储氢量大、能量密
30、度高、储存设备简单等特点，而且等特点，而且还能多次循环利用。还能多次循环利用。不过这种储氢方式不过这种储氢方式加氢时放热量大加氢时放热量大、脱氢时能耗高脱氢时能耗高，在很大程，在很大程度上限制了它的应用。度上限制了它的应用。8.3.5 研究中的储氢新方法研究中的储氢新方法新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确（2）地下压缩储氢）地下压缩储氢是一种是一种长期大量储氢长期大量储氢的主要方法。的主要方法。多孔、水饱和的岩石多孔、水饱和的岩石是理想的防止氢气扩散的介质。
31、但地下储是理想的防止氢气扩散的介质。但地下储存的氢气大约有存的氢气大约有50%左右会滞留在岩洞中，难于被释放出来。左右会滞留在岩洞中，难于被释放出来。8.3.5 研究中的储氢新方法研究中的储氢新方法（3）碳质储氢材料）碳质储氢材料一直为人们所关注。一直为人们所关注。主要是主要是高比表面积活性炭高比表面积活性炭等。特殊加工后的高比表面积活性炭，等。特殊加工后的高比表面积活性炭，在在2-4MPa和超低温下，质量储氢密度可达和超低温下，质量储氢密度可达5%-7%。低温条件限制了它的广泛应用。低温条件限制了它的广泛应用。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，
32、刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确燃料电池的研究已有燃料电池的研究已有170多年的历史。多年的历史。发现故事：发现故事：格罗夫在实验室里发现了燃料电池现象。格罗夫在实验室里发现了燃料电池现象。1950s，燃料电池的研究得到了迅速发展。，燃料电池的研究得到了迅速发展。燃料电池的实际应用开始于燃料电池的实际应用开始于1960s的航天领域。的航天领域。1990s，在膜和催化剂方面所取得的突破性进展，质子交换膜，在膜和催化剂方面所取得的突破性进展，质子交换膜燃料电池获得了广泛的研究和开发。燃料电池获得了广泛的研究和开发。8.4.1 燃料电池的发展
33、历史燃料电池的发展历史8.4 燃料电池概述燃料电池概述新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确燃料电池燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能化学能转化为转化为电能电能的发电装置。的发电装置。8.4.2 燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理燃料电池由燃料电池由阳极阳极、阴极阴极和中间的和中间的电解质电解质及外接及外接电路电路组成。组成。工作时，一般向工作时，一般向阳极供燃料阳极供燃料(氢氢)，向，向阴极供氧化剂阴极供氧化剂
34、(氧氧)。不断从外部供给燃料和氧化剂，燃料电池即可连续发电。不断从外部供给燃料和氧化剂，燃料电池即可连续发电。最主要的最主要的燃料燃料是是氢氢。氧化剂是氧气或空气。氧化剂是氧气或空气。为加速电化学反应，燃料电池的电极上往往都有为加速电化学反应，燃料电池的电极上往往都有催化剂催化剂。催化剂一般做成多孔材料，以增大燃料、电解质和电极之间的催化剂一般做成多孔材料，以增大燃料、电解质和电极之间的接触截面。这种接触截面。这种多孔电极称为多孔电极称为气体扩散电极气体扩散电极。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一
35、定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确由一个阳极、一个阴极和相关的电解质、燃料、空气通路组成由一个阳极、一个阴极和相关的电解质、燃料、空气通路组成的最小电池单元称为的最小电池单元称为单体电池单体电池；多个单体电池重叠连接形成的整体，称为多个单体电池重叠连接形成的整体，称为电堆电堆。实用的燃料电。实用的燃料电池均由电堆组成。池均由电堆组成。燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活组合，容量小燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活组合，容量小到为手机供电、大到可与常规发电厂相提并论。到为手机供电、大到可与常规发电厂相提并论。8.4.2 燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理新能源与分布式发电
36、新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确燃料电池系统燃料电池系统(参见图参见图8.9)，除，除燃料电池本体燃料电池本体(发电系统发电系统)外，还外，还有一些有一些外围装置外围装置，用于，用于燃料重整供应燃料重整供应、氧气供应氧气供应、水管理水管理、热热管理管理、逆变逆变、控制控制、安全安全等。等。8.4.3 燃料电池系统的构成燃料电池系统的构成这是大容量燃料电池这是大容量燃料电池可能具有的结构可能具有的结构。不同类型、容量和适用。不同类型、容量和适用场合，有些部分可能被简化甚至取消
37、。场合，有些部分可能被简化甚至取消。例如微型燃料电池、手机和笔记本电脑的燃料电池。例如微型燃料电池、手机和笔记本电脑的燃料电池。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确与干电池与蓄电池不同，与干电池与蓄电池不同，燃料电池不是能量储存装置燃料电池不是能量储存装置，而是，而是能能量转化装置量转化装置。燃料电池具有很多独特的优点：燃料电池具有很多独特的优点：能量转换效率高。能量转换效率高。污染物排放少。污染物排放少。能量转换主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。能量转换
38、主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。资源广泛，建设灵活。资源广泛，建设灵活。8.4.4 燃料电池发电的特点燃料电池发电的特点新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.5 燃料电池的类型燃料电池的类型（1）碱性燃料电池（）碱性燃料电池（AFC）以以氢氧化钾氢氧化钾等碱性溶液为电解质，以高纯度等碱性溶液为电解质，以高纯度氢气氢气为燃料，以为燃料，以纯纯氧气氧气作为氧化剂，工作温度为作为氧化剂，工作温度为6080。在所有的应用领域中，在所有的应用领域中，AFC燃料电
39、池都有竞争力。其燃料电池都有竞争力。其低温快速低温快速起动起动特性，在很多场合更具优势。特性，在很多场合更具优势。但是由于需要纯但是由于需要纯H2和和O2作为燃料和氧化剂，气化净水和排水排作为燃料和氧化剂，气化净水和排水排热系统庞大，限制了其应用。热系统庞大，限制了其应用。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.5 燃料电池的类型燃料电池的类型（2）磷酸型燃料电池（）磷酸型燃料电池（PAFC）以以磷酸水溶液磷酸水溶液为电解质，以为电解质，以天然气或甲醇天然气或
40、甲醇等气体的重整气为燃等气体的重整气为燃料，以料，以空气空气为氧化剂，一般要用为氧化剂，一般要用铂金铂金作催化剂。作催化剂。工作温度工作温度200，发电效率，发电效率30%多，用白金作催化剂，对多，用白金作催化剂，对燃料燃料要求较高要求较高。对燃料气和空气中的对燃料气和空气中的CO2有耐受力，能适应多种工作环境。有耐受力，能适应多种工作环境。世界之最：世界之最：最大的燃料电池系统最大的燃料电池系统新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.5 燃料电池的类型燃料电
41、池的类型（3）熔融碳酸盐型燃料电池（）熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）以以碳酸盐碳酸盐为电解质；以为电解质；以混有混有CO2的的O2为氧化剂；可用重整气为氧化剂；可用重整气(含含H2和和CO2)为燃料。电极采用为燃料。电极采用镍镍。工作温度为工作温度为600700，不需要采用贵金属作为催化剂不需要采用贵金属作为催化剂。工作。工作过程中放出的高温余热可回收，发电效率过程中放出的高温余热可回收，发电效率45%60%。基于上述优点，基于上述优点，MCFC具有具有较好的应用前景较好的应用前景。不过，高温条件。不过，高温条件下下电解质的腐蚀性电解质的腐蚀性较强，对电池材料有严格要求；而且废热回较强，对电
42、池材料有严格要求；而且废热回收装置收装置又大又重又大又重，MCFC只适用于大功率只适用于大功率发电厂。发电厂。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.5 燃料电池的类型燃料电池的类型（4）固体氧化物型燃料电池（）固体氧化物型燃料电池（SOFC）常采用常采用ZrO2+Y2O3固体电解质，以重整气为燃料，以固体电解质，以重整气为燃料，以空气空气为氧为氧化剂。多孔电极。化剂。多孔电极。工作温度最高，约工作温度最高，约1000，运行压力，运行压力0.31.0MPa。高
43、温下工作，高温下工作，不需要采用贵金属作为催化剂不需要采用贵金属作为催化剂；但采用复合废热；但采用复合废热回收装置，体积大，质量重，只适用于大功率发电厂。回收装置，体积大，质量重，只适用于大功率发电厂。国际上正在研发国际上正在研发400800中低温中低温SOFC电解质。电解质。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.5 燃料电池的类型燃料电池的类型（5）质子交换膜型燃料电池（）质子交换膜型燃料电池（PEMFC）燃料一般为燃料一般为高纯度的氢气高纯度的氢气。采用
44、以离子导电的。采用以离子导电的固体高分子电解固体高分子电解质膜质膜。最佳温度为最佳温度为80。工作温度低，。工作温度低，需要采用贵金属作为催化剂需要采用贵金属作为催化剂。发电效率约发电效率约50%70%。PEMFC最大优越性最大优越性体现在体现在工作温度低工作温度低。起动快、功率密度高，。起动快、功率密度高，而且只产生而且只产生少量废热和液态水少量废热和液态水，不产生污染大气的氮氧化物，不产生污染大气的氮氧化物，是汽车动力的理想电源之选。是汽车动力的理想电源之选。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一
45、定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.6 燃料电池的应用领域燃料电池的应用领域（1）发电站）发电站燃料电池电站燃料电池电站效率高效率高、噪声小噪声小、污染少污染少、占地面积小占地面积小，可能是，可能是未来最主要的发电技术之一未来最主要的发电技术之一。（2）交通工具的动力）交通工具的动力燃料电池不会或者极少排出污染物，可解决常规汽车的燃料电池不会或者极少排出污染物，可解决常规汽车的尾气污尾气污染问题染问题，而且还没有，而且还没有机械噪音机械噪音。只要燃料供应充足，车辆行驶。只要燃料供应充足，车辆行驶的里程是可以不受限制的。的里程是可以不受限制的。（3）仪器和通讯设备电源）仪器和通讯设备电源
46、手机、相机等手机、相机等电子产品电子产品的主要难题就是的主要难题就是电源问题电源问题，寿命短，供，寿命短，供电的维持时间也短。燃料电池可克服这一缺陷。电的维持时间也短。燃料电池可克服这一缺陷。（4）军事应用）军事应用型号多，噪音小，适合军用。型号多，噪音小，适合军用。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确8.6 燃料电池的应用领域燃料电池的应用领域这种重要的这种重要的新型发电方式新型发电方式，可以大大提高燃料利用率、降低空，可以大大提高燃料利用率、降低空气污染及
47、解决电力供应、提高电网的安全性。气污染及解决电力供应、提高电网的安全性。作为继火电、水电、核电之后的作为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式第四代发电方式，燃料电池将，燃料电池将在能源领域里占据举足轻重的地位。在能源领域里占据举足轻重的地位。新能源与分布式发电新能源与分布式发电氢能与燃料电池氢能与燃料电池在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确朱永强，朱永强，华北电力大学华北电力大学电气与电子工程学院电气与电子工程学院本课程的配套教材：本课程的配套教材：新能源与分布式发电技术新能源与分布式发电技术，朱永强，朱永强 主编，北京大主编，北京大学出版社，学出版社，21世纪创新型人才培养规划教材世纪创新型人才培养规划教材
