第六章 能源化學(xué)

1、能源組成能源組成化石能源：化石能源：煤、石油、天然氣煤、石油、天然氣自然能源：自然能源：水、太陽、風(fēng)、海洋水、太陽、風(fēng)、海洋核能核能環(huán)境環(huán)境二氧化碳二氧化碳生態(tài)生態(tài)輻射輻射酸雨酸雨溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)臭氧層破壞臭氧層破壞煤是由植物經(jīng)過物理和化學(xué)的演變和沉積而成的、棕色至黑色的可燃燒的固體。在煤化過程的不同階段，把煤分成：泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤。 植物質(zhì)的堆積階段菌解作用階段碳化作用階段煤是由極其復(fù)雜的有機(jī)化合物組成的。主要的化學(xué)成分有：C、H、O、N、S、 A （灰分）及W（水分）可燃質(zhì)惰性質(zhì) 1kg煤完全燃燒后所放出的燃燒熱即發(fā)熱量，單位kJ/kg。kgkJSCHCQrrrrrDW/)(109

2、1030339發(fā)熱量可以用氧彈式量熱計直接測定，也可以根據(jù)元素分析值近似計算：kgkJQydw/煤與空氣、氫氣、氧氣、蒸汽及二氧化碳中的一種或幾種的混合物的化學(xué)反應(yīng)得出的氣態(tài)產(chǎn)物，即煤氣，這一過程稱為煤的氣化過程。這里討論的液態(tài)燃料為天然石油產(chǎn)品生產(chǎn)的液態(tài)燃料及其有關(guān)特性。 石油產(chǎn)品主要由以下四類碳?xì)浠衔锝M成：分子通式：C n H 2n+2（飽和烴）液體燃油中的烷烴：C 3 C 15分子結(jié)構(gòu)（庚烷）：分子通式：C n H 2n（不飽和烴）分子結(jié)構(gòu)（丙烯）：分子通式：C n H 2n（飽和烴）分子結(jié)構(gòu)（環(huán)丙烷）：單環(huán)芳香烴分子式：C n H 2n-6（不飽和烴）分子結(jié)構(gòu)（苯）：kgkJQydw

3、/直餾流程圖蒸餾塔冷凝器石油氣直餾汽油加熱爐（常壓）油泵原油煤油輕柴油重柴油常壓重油直餾法：常壓下直接對石油加熱（300325）分餾，石油中各餾分按其沸點高低先后餾出，最先餾出是汽油（沸點40180），然后依次為重汽油（沸點120230）、煤油（150300）、柴油（200350），剩下沸點高的重質(zhì)油則從分餾塔塔底排出，稱為常壓重油。減壓蒸餾塔加熱爐（減壓）油泵常壓重油各種蠟油重柴油重油減壓蒸餾流程圖減壓蒸餾法：高沸點的常壓重油加熱到400C以上可以繼續(xù)分餾出各種重油來。根據(jù)氣壓下降、沸點下降的原理，一般采用減壓蒸餾的辦法，在0.01MPa以下時，重油中烴的沸點可降低200 C，這樣原來沸點約

4、700 以下的各種烴都可分餾出來。氣田煤氣油田煤氣天然氣發(fā)生爐煤氣煉焦?fàn)t煤氣高爐煤氣液化煤氣人造煤氣氣態(tài)燃料組成：碳?xì)浠衔?、硫化氫、氮氣及二氧化碳等。種類：氣田煤氣、油田煤氣（伴生氣）熱值：3/5400035500NmkJQydw煉鐵爐的副產(chǎn)品，在冶煉過程中主要生成CO，其體積百分含量約為20%30%。氣體中含有大量惰性氣體N2，其體積百分含量占60%左右，含塵也很高，使用前要凈化，發(fā)熱量較低 高爐煤氣：3/4000NmkJQydw在煤氣發(fā)生爐中人工造氣，煤在空氣不足的條件下燃燒，氣化生成CO，CO和N2的體積百分含量與高爐煤氣接近，H2約占10%，其發(fā)熱量比高爐煤氣高些3/6000NmkJ

5、Qydw發(fā)生爐煤氣：在煤氣發(fā)生爐中若用水蒸汽與熾熱的煤反應(yīng)，則可產(chǎn)生水煤氣。 煉焦?fàn)t的副產(chǎn)品，煉焦過程用少量空氣使煤受熱析出揮發(fā)分，主要氣體成分為CO（50%60%）和CH4(20%)，含N2很少。其發(fā)熱量較高（），稱為中熱值煤氣。 煉焦煤氣：3/16700NmkJQydw全球變暖全球變暖世界能源需求世界能源需求能源枯竭能源枯竭煤炭煤炭 煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，也是重煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，也是重要的戰(zhàn)略資源。它廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)要的戰(zhàn)略資源。它廣泛應(yīng)用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)及居民生活領(lǐng)域。及居民生活領(lǐng)域。 目前，煤炭在世界一次能源消

6、費中所占比重為目前，煤炭在世界一次能源消費中所占比重為26.5%，低于石油所占比重低于石油所占比重37.3%，高于天然氣所占比重，高于天然氣所占比重23.9%。 在未來在未來100年內(nèi)，年內(nèi)，煤炭不可避免地仍將是一種主要能源煤炭不可避免地仍將是一種主要能源。據(jù)美國能源部預(yù)測，到據(jù)美國能源部預(yù)測，到2025年，煤炭在世界一次能源消費結(jié)年，煤炭在世界一次能源消費結(jié)構(gòu)中所占比重略有下降，但是在亞洲發(fā)展中國家和地區(qū)煤炭構(gòu)中所占比重略有下降，但是在亞洲發(fā)展中國家和地區(qū)煤炭仍將占主導(dǎo)地位。仍將占主導(dǎo)地位。各國煤炭儲量各國煤炭儲量瑞士銀行：全球石油儲量報告瑞士銀行：全球石油儲量報告 各國天然氣儲量各國天然氣

7、儲量拉丁美洲拉丁美洲資源民族主義資源民族主義尼日利亞尼日利亞社會動蕩社會動蕩伊拉克伊拉克 蓄意破壞蓄意破壞歐洲歐洲天然氣天然氣供應(yīng)供應(yīng)俄羅斯俄羅斯重新收歸國有控制重新收歸國有控制伊朗伊朗核威脅核威脅亞洲亞洲能源補貼能源補貼馬六甲海峽馬六甲海峽海盜猖獗海盜猖獗全國全國SO2,NOx,CO2排放的排放的46%，50%，48%全國電力來源的全國電力來源的82%全國煤炭消耗的全國煤炭消耗的50%全國電力來源的全國電力來源的15%我國第一顆原子彈我國第一顆氫彈全國電力來源的全國電力來源的1.6%世界核電分布世界核電分布世界各國核電發(fā)電比例圖世界各國核電發(fā)電比例圖 德國已經(jīng)決定德國已經(jīng)決定2022年前關(guān)閉

8、現(xiàn)有的所有核電站年前關(guān)閉現(xiàn)有的所有核電站 瑞士瑞士2034年前關(guān)閉所有核電站年前關(guān)閉所有核電站 奧巴馬政府在奧巴馬政府在2012年的財政預(yù)算中計劃批準(zhǔn)年的財政預(yù)算中計劃批準(zhǔn)360億美元貸款擔(dān)保用來興建核電站。億美元貸款擔(dān)保用來興建核電站。法國將繼續(xù)為發(fā)展核電投入資金法國將繼續(xù)為發(fā)展核電投入資金 英國政府將在英國政府將在2025年前建設(shè)年前建設(shè)10個新一代核電站個新一代核電站2020年核電占年核電占5%，2030年核電占年核電占10%2050年核電達(dá)年核電達(dá)4億億-5億千瓦億千瓦 2010年前的我國所掌握的天然鈾資源，年前的我國所掌握的天然鈾資源，不超過不超過15.4萬噸，占世界儲量的份額是萬噸

9、，占世界儲量的份額是2.8% 中國鈾資源極缺中國鈾資源極缺 應(yīng)限制核電多造核戰(zhàn)艦應(yīng)限制核電多造核戰(zhàn)艦何祚庥何祚庥 中國科學(xué)院院士中國科學(xué)院院士 中國科學(xué)院理論物理研究所研究員中國科學(xué)院理論物理研究所研究員清潔發(fā)電方式清潔發(fā)電方式目前，在西部太陽能資源豐富區(qū)，光伏發(fā)電成本可以做到目前，在西部太陽能資源豐富區(qū)，光伏發(fā)電成本可以做到每千瓦時每千瓦時1元左右。元左右。在未來在未來3-5年內(nèi)，在政府、企業(yè)、科研院所的共同努力下，年內(nèi)，在政府、企業(yè)、科研院所的共同努力下，爭取將光伏發(fā)電成本降低爭取將光伏發(fā)電成本降低20%，即降至每千瓦時，即降至每千瓦時0.8元。元。 氫能經(jīng)濟(jì)氫能經(jīng)濟(jì) (Hydrogen

10、Economy)氫能經(jīng)濟(jì)的含義氫能經(jīng)濟(jì)的含義 實現(xiàn)可再生能源（太陽能、水力能、風(fēng)能實現(xiàn)可再生能源（太陽能、水力能、風(fēng)能)制氫，制氫，解決氫的貯運技術(shù)，能按國民經(jīng)濟(jì)需求提供能源，確解決氫的貯運技術(shù)，能按國民經(jīng)濟(jì)需求提供能源，確保國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展；保國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展； 在能量轉(zhuǎn)換過程中，實現(xiàn)從水開始、利用燃料電池等在能量轉(zhuǎn)換過程中，實現(xiàn)從水開始、利用燃料電池等發(fā)電裝置實現(xiàn)氫能到電能的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)物仍為水的循環(huán)，發(fā)電裝置實現(xiàn)氫能到電能的轉(zhuǎn)換、產(chǎn)物仍為水的循環(huán)，杜絕杜絕CO2、NOx、SOx等有害氣體的排放，實現(xiàn)環(huán)境等有害氣體的排放，實現(xiàn)環(huán)境友好；友好； 固定電力由電網(wǎng)與以氫為

11、燃料的分散電站聯(lián)合供給，固定電力由電網(wǎng)與以氫為燃料的分散電站聯(lián)合供給，確保供電安全；移動電力由氫能量轉(zhuǎn)換裝置（燃料電確保供電安全；移動電力由氫能量轉(zhuǎn)換裝置（燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)）與化學(xué)電池（二次電池）聯(lián)合供給，池、氫內(nèi)燃機(jī)）與化學(xué)電池（二次電池）聯(lián)合供給，為交通、野外、水下、航天等提供能源；為交通、野外、水下、航天等提供能源；氫作為能源的特點氫作為能源的特點向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的重要性向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的重要性 保障全球能源需求：保障全球能源需求： 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求日益增大，僅依賴化石燃料（缺陷：儲量有限；分布不均；利用率低）難以滿足全球能源需求； 改善全球環(huán)境質(zhì)量：改善全球環(huán)境質(zhì)量： 以

12、原油為代表的化石能源對全球生態(tài)環(huán)境造成很大的負(fù)面影響，特別是大量CO2的排放導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”，不利于人類的生存和發(fā)展，需要一種清潔、高效的能源來替代化石能源； 促進(jìn)人類可持續(xù)性發(fā)展：促進(jìn)人類可持續(xù)性發(fā)展： 化石能源終將枯竭，需要可再生的能源來促進(jìn)人類 的持續(xù)發(fā)展。氫能時代的能源系統(tǒng)氫能時代的能源系統(tǒng)各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)For us, reducing fossil fuel dependency is a priority. We are not working on a scientific experiment. Science

13、is already on board. We are working for change in the most important pattern of consumption of a contemporary society. The cost is enormous but it is not out of reach. .There are no other serious alternatives. Romano Prodi on converting the European Union to a Hydrogen Economy ,2003Clean Urban Trans

14、port for Europe）演示性項目；）演示性項目；各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)各國政府重視氫能經(jīng)濟(jì)我國向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的必要性我國向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的必要性我國在氫能及燃料電池領(lǐng)域的工作我國在氫能及燃料電池領(lǐng)域的工作我國在氫能及燃料電池領(lǐng)域的工作我國在氫能及燃料電池領(lǐng)域的工作北京大連上海向氫能經(jīng)濟(jì)過渡存在的問題向氫能經(jīng)濟(jì)過渡存在的問題 氫氣制備、運輸、儲存、能量轉(zhuǎn)換和應(yīng)用等技術(shù)問題； 氫氣的供應(yīng)體系的建設(shè)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定； 氫氣的安全問題、價格問題等等；實現(xiàn)向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)向氫能經(jīng)濟(jì)過渡的關(guān)鍵技術(shù)氫的制備（氫的制備（1）化石資源制氫：不可再生資源制氫技術(shù)化石資源制氫：不可再生資源制氫技術(shù)

15、 煤焦化和氣化制氫 石腦油或重油部分氧化制氫 天然氣水蒸氣重整制氫 天然氣催化部分氧化制氫 天然氣高溫裂解制氫1. 制備技術(shù)工藝成熟； 2. 生產(chǎn)成本低；1. 資源有限且不可再生； 2. 需要解決CO2的封存問題 ； 3. 需要提高效率和小型化；氫的制備（氫的制備（2）氫的輸運（氫的輸運（1）q 管道輸運： 氫氣管道輸運 液氫管道輸運q 移動輸運： 高壓氫輸運 液氫輸運氫的輸運（氫的輸運（2） 移動輸運相對能耗大；移動輸運相對能耗大； 如用40噸罐車運輸，液氫只能運輸2.1噸，壓力為200bar的氫氣運輸量不到500Kg； 管道輸運基礎(chǔ)投資高；管道輸運基礎(chǔ)投資高； 需要采用特殊材料的管道和特殊

16、的泵站設(shè)計，建設(shè)成本要比天然氣管網(wǎng)高50%左右； 管道輸運能耗與距離有關(guān)管道輸運能耗與距離有關(guān); 5000公里以內(nèi)，相對能耗在30%以上；1000公里以內(nèi)，相對能耗小于10%，低于移動輸運能耗； 氫的儲存（氫的儲存（1）n 目前存在的主要幾種氫氣貯存方式：目前存在的主要幾種氫氣貯存方式： 高壓氫瓶高壓氫瓶 - 貯氫密度低； - 安全性差； - 應(yīng)用相對比較方便； 液液 氫氫 - 貯氫密度高； - 安全性差； - 輔助設(shè)施復(fù)雜，功耗大； 金屬氫化物金屬氫化物 - 貯氫體積比能量高； - 貯氫重量比能量低； - 安全性好； 納米碳管納米碳管 - 實際貯氫量還有待進(jìn)一步證實；氫的儲存（氫的儲存（2）

17、n 車載氫氣貯存的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：2005年：1.5kWh/kg(4.5wt%), 1.2kWh/L, $6/kWh2010年：2.0kWh/kg(6.0wt%), 1.5kWh/L, $4/kWh2015年：3.0kWh/kg(9.0wt%), 2.7kWh/L, $2/kWh 燃料電池基礎(chǔ)知識燃料電池基礎(chǔ)知識3.1，基本術(shù)語3.2，燃料電池定義和種類3.3，燃料電池工作原理3.4，電池結(jié)構(gòu)和組件FC Fuel Cell (燃料電池)PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell (質(zhì)子交換膜燃料電池)SOFC Solid Oxide Fuel Cell (

18、固體氧化物燃料電池)AFC Alkaline Fuel Cell (堿性燃料電池)PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (磷酸燃料電池)MCFC Melton Carbonate Fuel Cell (熔融碳酸鹽燃料電池)RFC Renewable Hydrogen/Oxygen Fuel Cell (再生氫氧燃料電池 )DMFC Direct Methanol Fuel Cell (直接甲醇燃料電池)DAFC Direct Alcohol Fuel Cell (直接醇類燃料電池)Electrochemistry (電化學(xué))Fuel (燃料)Oxidant (氧化劑)C

19、atalyst (催化劑)Membrane (膜)Dipolar plate (雙極板)Flow filed plate (流場板)MEA Membrane Electrode Assembly (膜組裝電極)3.1，基本術(shù)語，基本術(shù)語 燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的發(fā)展歷史1893 1893 William Grove, , 水解反過程水解反過程燃料電池原理燃料電池原理1950s 1950s Francis Bacon, , 燃料電池組燃料電池組1950s1950s后期后期 堿性燃料電池首先用于航天事業(yè)堿性燃料電池首先用于航天事業(yè)1960s - 1960s - 至今至今 用于每一個載人空間項目

20、用于每一個載人空間項目1960s - 1960s - 至今至今 發(fā)明其他類型燃料電池發(fā)明其他類型燃料電池1970 - 1970 - 至今至今 重視陸地應(yīng)用重視陸地應(yīng)用1990 - 1990 - 至今至今 重視重視交通運輸交通運輸應(yīng)用應(yīng)用燃料電池的特點燃料電池的特點* * 環(huán)境友好環(huán)境友好- - 非常低或零污染物排放；非常低或零污染物排放； - - 低噪音低噪音* * 高效率高效率- - 不受卡諾循環(huán)限制不受卡諾循環(huán)限制 - 40-60% - 40-60% 燃料燃料/ /電能轉(zhuǎn)換效率電能轉(zhuǎn)換效率 - - 混用或熱電聯(lián)用可達(dá)混用或熱電聯(lián)用可達(dá)80%80%以上效率以上效率* * 燃料使用多樣性燃料使

21、用多樣性- - H2、天然氣、甲醇、煤氣天然氣、甲醇、煤氣 化產(chǎn)物、石油分離物等化產(chǎn)物、石油分離物等* * 規(guī)模靈活規(guī)模靈活 規(guī)模無限制、易分置或分散安裝規(guī)模無限制、易分置或分散安裝 - - 減少基礎(chǔ)設(shè)施投資減少基礎(chǔ)設(shè)施投資 - - 避免干擾敏感區(qū)域避免干擾敏感區(qū)域 - - 易在困難地區(qū)增容易在困難地區(qū)增容* * 沒有運動部件沒有運動部件 - - 可靠可靠性高、使用壽命長性高、使用壽命長 3.2, 燃料電池的定義和種類燃料電池的定義和種類 燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向

22、燃料電池供給燃料當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。 Fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy of a reaction directly into electrical energy. The basic physical structure, or building block, of a fuel cell consists of anelectrolyte layer in contact with a porous anode

23、 and cathode on either side. 燃料電池與各種化學(xué)電池一樣，輸出的是直流電，對于交流用戶或需要和電網(wǎng)并網(wǎng)的燃料電池電站，必須將低壓直流電轉(zhuǎn)換成交流電或者高壓直流電，即需要電壓逆變系統(tǒng)。 在小功率燃料電池中，為了減小電池的體積和重量，就要減少單電池的數(shù)量，這樣一來，就需用DC/DC升壓電路來達(dá)到電器使用電壓的要求。 燃料電池是一個自動運行的發(fā)電裝置。因此，電池的供氣、水熱管理、電輸出、電流調(diào)控等均需自動運行。這樣，以電池組為核心就構(gòu)成了一個燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)。 燃料電池按其工作溫度的不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，也稱為

24、固體高分子燃料電池，工作溫度為100以內(nèi)）和磷酸燃料電池（PAFC，工作溫度為200）稱為低溫燃料電池低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，工作溫度為650）稱為中溫燃料電中溫燃料電池池；固體氧化燃料電池（SOFC，工作溫度為1000）稱為高溫燃料電池高溫燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池，把PEMFC稱為第四代燃料電池，把直接甲醇燃料電池DMFC稱為第五代燃料電池。燃料電池種類燃料電池種類 電解電解質(zhì)質(zhì) 導(dǎo)電離子導(dǎo)電離子 操作溫度操作溫度 ( (O OC)C) 燃料燃料/氧化氣體氧化氣

25、體 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + ( (水合水合) ) 60 60 - - 80 80 H H2 2/ /空氣空氣 質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 能量密度高能量密度高. . 鉑貴金屬催化劑鉑貴金屬催化劑. . 必須加濕必須加濕. CO . CO 毒化毒化. . KOHKOH OHOH- - 9090 H H2 2/ /氧氣氧氣 堿性堿性 能量密度高能量密度高. CO. CO2 2 毒化毒化. . H H3 3POPO4 4 H H+ + 200200 H H2 2/ /空氣空氣 磷酸磷酸 能量密度中等能量密度中等. . 鉑貴金屬催化劑鉑貴金屬

26、催化劑. CO . CO 很敏感很敏感. . L Li i2 2COCO3 3/K/K2 2COCO3 3 COCO3 32 2- - 650650 H H2 2,CO/,CO/空氣空氣 熔融鹽熔融鹽 能量密度低能量密度低. . 鎳催化劑鎳催化劑. . Z Zr r0.920.92Y Y0.080.08O O1.961.96 O O2 2- - 700700- -1000 (1000 (現(xiàn)有現(xiàn)有450)450) CHCH4 4, CO/, CO/空氣空氣 固體氧化物固體氧化物 中高能量密度中高能量密度 CF(CFCF(CF2 2)OCF)OCF2 2SOSO3 32 2- - H H+ + (

27、H (H2 2,CH,CH3 3OH)OH) 60 60 - - 120 120 CHCH3 3OH/OH/空氣空氣 直接甲醇直接甲醇 中等能量密度中等能量密度. . 低效率低效率. . 高鉑貴金屬催化劑用量高鉑貴金屬催化劑用量. . 燃料電池的特性燃料電池的特性4，電池結(jié)構(gòu)和組件，電池結(jié)構(gòu)和組件4.1，電池結(jié)構(gòu)，電池結(jié)構(gòu)4.2，催化劑，催化劑4.3，離子導(dǎo)電膜，離子導(dǎo)電膜4.4，氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層4.5，集流板（雙極板），集流板（雙極板）4.6，結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件4.7，管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)4.1，燃料電池的結(jié)構(gòu)，燃料電池的結(jié)構(gòu) 以質(zhì)子交換膜氫氧電池為例,單電池由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層

28、電極及流場板組成。而電池組則由多個單電池組合而成。如下圖所示：質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 ( PEMFC )氫氧燃料電池組的結(jié)構(gòu)示意圖氫氧燃料電池組的結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 ( PEMFC )氫氧燃料電池組的結(jié)構(gòu)氫氧燃料電池組的結(jié)構(gòu)4.2, 催化劑催化劑4.3，離子導(dǎo)電膜，離子導(dǎo)電膜要求：類型類型4.4，氣體擴(kuò)散層，氣體擴(kuò)散層1. 碳紙?zhí)技?2. 碳布碳布. 在燃料電池內(nèi)，集流板具有以下功能和特點在燃料電池內(nèi)，集流板具有以下功能和特點: 要求集流板必須具有阻氣功能，不能采用多孔透氣材料。 有收集電流作用，必須采用電的良導(dǎo)體。 已開發(fā)成功的幾種燃料電池，其電解質(zhì)均為酸或堿，集流板材料必須能在其

29、工作的電位范圍內(nèi)具有抗腐蝕能力。 集流板應(yīng)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的通道(即所謂的流場)，以確保反應(yīng)氣在整個電極各處均勻分布。 集流板應(yīng)是熱的良導(dǎo)體，以保證電池的溫度均勻分布和排熱方案的實施。 4.5，集流板（雙極板），集流板（雙極板） 雙極板是用在燃料電池組內(nèi)的陰陽極組合集流板，它具有以下功能和特點。 分隔氧化劑與還原劑。要求雙極板必須具有阻氣功能，不能采用多孔透氣材料。 有收集電流作用，必須采用電的良導(dǎo)體。 已開發(fā)成功的幾種燃料電池，其電解質(zhì)均為酸或堿，雙極板所處的環(huán)境同時存在氧化介質(zhì)(如氧氣)和還原介質(zhì)(如氫氣)，所以雙極板材料必須能在這種條件下和其工作的電位范圍內(nèi)具有抗腐蝕能力。

30、雙極板兩側(cè)應(yīng)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的通道(即所謂的流場)，以確保反應(yīng)氣體在整個電極各處均勻分布。 極板應(yīng)是熱的良導(dǎo)體，以保證電池組的溫度均勻分布和排熱方案的實施。 如今燃料電池廣泛采用的雙極板材料是無孔的石墨板，國內(nèi)外正在開發(fā)表面改性的金屬板、膨脹石墨板和復(fù)合型雙極板。1.1. 機(jī)加工石墨板機(jī)加工石墨板 無孔石墨板一般由碳粉或石墨粉與可石墨化的樹脂制備。石墨化的溫度通常高于2500，石墨化須要按照嚴(yán)格的升溫程序進(jìn)行，而且時間很長，這一制造過程導(dǎo)致無孔石墨板價格昂貴。在石墨板上機(jī)械加工的流場也是費工時而高價格的，約占整個燃料電池費用的60-70%。2. 2. 注塑的石墨板或碳板注塑的石墨板

31、或碳板 為降低石墨雙極板的制備成本，目前主要采用石墨粉或碳粉與樹脂（酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）、導(dǎo)電膠等粘接劑相混合，采用注塑、漿注等方法來制備雙極板，有的還在混合物中加入金屬粉末、細(xì)金屬網(wǎng)以增加其導(dǎo)電性，有的在混合物中加入碳纖維、陶瓷纖維以增加其強度。燃料電池應(yīng)用開發(fā)策略燃料電池應(yīng)用開發(fā)策略 現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池（現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）已達(dá)到）已達(dá)到每千瓦功率低于每千瓦功率低于300美元美元的經(jīng)濟(jì)成本，大批量生的經(jīng)濟(jì)成本，大批量生產(chǎn)預(yù)計成本可降至產(chǎn)預(yù)計成本可降至100美元以下美元以下，最終將比內(nèi)燃，最終將比內(nèi)燃機(jī)（每千瓦機(jī)（每千瓦30-50美元）更加便宜。美元）更加便宜。 今后十年將是燃料電池在技術(shù)和成本上取得今后十年將是燃料電池在技術(shù)和成本上取得突破，從特殊應(yīng)用和示范運行轉(zhuǎn)到商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)突破，從特殊應(yīng)用和示范運行轉(zhuǎn)到商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化階段的重要時期。燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用已不化階段的重要時期。燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用已不再遙遠(yuǎn)，汽車及電站市