能源材料學(xué)習(xí)培訓(xùn)資料課件

能源材料能源材料2近10年來—>能源材料

自從20世紀(jì)80年代出現(xiàn)能源危機及大量的能源消耗導(dǎo)致的環(huán)境污染和溫室效應(yīng),

人們一直在研究高效能源與節(jié)能技術(shù),可再生環(huán)保型能源：太陽能、風(fēng)能利用技術(shù)等。由此產(chǎn)生了有廣闊應(yīng)用前景的太陽能儲熱熱水器及加熱器,太陽能空調(diào)器、燃料電池、貯氫及氫能利用、核能電站等。2近10年來—>能源材料自3

能源材料類別

儲能材料

太陽能儲熱加熱器,工業(yè)余熱利用儲熱加熱器,太陽能儲能空調(diào)器節(jié)能材料

高效節(jié)能電加熱器及裝置能量轉(zhuǎn)換材料

燃料電池,貯氫材料及氫能利用核能材料核反應(yīng)堆電站等。3能源材料類別儲能材料4（一）儲能材料

——相變儲熱(LTES)材料

特點:儲熱密度高、儲熱放熱近似等溫、過程易控制的。

提高儲熱系統(tǒng)的相變速率,熱效率,儲熱密度和長期穩(wěn)定型是目前面臨的重要課題。

相變儲熱是有效利用新能源和節(jié)能的重要途徑4（一）儲能材料

——相變儲熱(L5儲熱機理及特點A：相變過程

GL；GG

相變過程中,材料要經(jīng)歷物理狀態(tài)的變化，從環(huán)境中吸熱或向環(huán)境放熱，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變（相變溫度范圍很窄）。物理狀態(tài)發(fā)生變化時,大量相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中時,產(chǎn)生了一個寬的溫度平臺。

體現(xiàn)了恒溫時間的延長

,并可與顯熱和絕緣材料區(qū)分開來(絕緣材料只提供熱溫度變化梯度)。相變材料在熱循環(huán)時,儲存或釋放潛熱。5儲熱機理及特點A：相變過程相變過程中,材料6B：相變材料特點凝固熔化溫度區(qū)間窄相變熱高導(dǎo)熱率高比熱大凝固時無過冷或過冷度極小化學(xué)性能穩(wěn)定室溫下蒸汽壓低6B：相變材料特點凝固熔化溫度區(qū)間窄7LTES材料的發(fā)展

近30年代來,相變儲熱(ＬＴＥＳ)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究在發(fā)達(dá)國家(如美國、加拿大、日本、德國等)得到不斷發(fā)展。

材料科學(xué),太陽能,航天技術(shù),工程熱物理,建筑物空調(diào)采暖通風(fēng)及工業(yè)廢熱利用等領(lǐng)域的相互滲透與迅猛發(fā)展為ＬＴＥＳ研究和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。7LTES材料的發(fā)展近30年代來,8

實用化的相變材料（PCM）

種類無機ＰＣＭ包括：結(jié)晶水合鹽,熔融鹽,金屬合金和其他無機物;有機類ＰＣＭ包括：石蠟,酸酯和其他有機物;復(fù)合ＰＣＭ主要是有機和無機共融ＰＣＭ的混合物。8實用化的相變材料（PCM）

9無機相變材料——結(jié)晶水合鹽

結(jié)晶水合鹽提供了從幾℃至100多℃熔點的近70種可供選擇的ＰＣＭ。優(yōu)點：價格便宜,體積儲熱密度大,溶解熱大,導(dǎo)熱系數(shù)比有機ＰＣＭ大,一般呈中性。缺點：過冷度大和易析出分離。

解決過冷度大的方法

解決析出的方法——中低溫ＰＣＭ加微粒結(jié)構(gòu)與鹽類結(jié)晶物相類似的成核劑和攪拌添加增稠劑,晶體結(jié)構(gòu)改變劑和攪拌?9無機相變材料——結(jié)晶水合鹽結(jié)晶水合鹽10有機相變材料——石蠟石蠟由直烷烴混合組成常用石蠟ＰＣＭ的熔點為-12～75.9℃，熔解熱為150ｋＪ/ｋｇ到250ｋＪ/ｋｇ

優(yōu)點：熔解熱大，一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定，無腐蝕性且在有機ＰＣＭ中價格最低

缺點：導(dǎo)熱系數(shù)小和密度小酸酯類也是常用的有機ＰＣＭ，其性能特點與石蠟相似10有機相變材料——石蠟石蠟由直烷烴混合組成11復(fù)合相變材料

把相變材料（潛熱大）與普通建筑材料相結(jié)合，可形成一種新型復(fù)合儲能建筑材料，其兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點。復(fù)合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容，對于房間內(nèi)的氣溫穩(wěn)定及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。

------目前，采用的相變材料的潛熱達(dá)到170Ｊ/ｇ左右，而普通建材在溫度變化1℃時儲存同等熱量將需要190倍相變材料的質(zhì)量。11復(fù)合相變材料把相變材料（潛熱大）與普12

儲能建材的要求相變材料的熱物性

(相變溫度等)相變材料與建筑材料的相容性

結(jié)合工藝:(1)通過浸泡將相變材料滲入建材基體;(2)將高密度交聯(lián)鍵聚乙烯顆粒在熔化的相變材料中膨脹;(3)將相變材料吸入半流動性的硅石細(xì)粉中然后滲入建材板中。經(jīng)濟性

目前國內(nèi)外的研究都集中在有機相變材料,主要有烷烴,酯,醇和石蠟等。12儲能建材的要求相變材料的熱物性(相變溫度等)13國內(nèi)研究現(xiàn)狀

三種相變材料純物質(zhì):正十六烷、正十八烷、硬酯酸正丁酯

,分別于三種建材基體[石膏板(不含纖維)、石膏纖維板及粘土磚]制成儲能建材。正烷烴的潛熱遠(yuǎn)大于硬酯酸正丁酯，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；但硬酯酸正丁酯價格低,因此有一定的使用價值。

其中正十八烷以其熔點接近空調(diào)舒適溫度而在相當(dāng)長的時間內(nèi)被研究者所矚目。但其價格高,且滲有正十八烷的儲能建材在長時間處于相變溫度以下其自由表面有嚴(yán)重的結(jié)霜傾向。13國內(nèi)研究現(xiàn)狀三種相變材料純物質(zhì):正十六烷、正十八烷、熱水袋——持續(xù)放熱4~8小時14熱水袋——持續(xù)放熱4~8小時14燃料電池及其應(yīng)用燃料電池及其應(yīng)用內(nèi)容提要燃料電池(FuelCell)的基本原理及組成燃料電池的分類質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池的發(fā)展趨勢燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)及特點燃料電池汽車的研發(fā)進展內(nèi)容提要燃料電池(FuelCell)的基本原理及組成1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理氧與碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成水、CO2的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電基本組成：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑催化劑，例如白金，常用來加速電化學(xué)反應(yīng)1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理氧與碳?xì)浠先剂希篐2、CH4、CH3OH、CO等氧化劑：氧氣或空氣電解質(zhì)：水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等

發(fā)電時，陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。

與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。

1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理燃料：H2、CH4、CH3OH、CO等1.1燃料電池(Fue1.2燃料電池系統(tǒng)組成

單獨的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的，它必需和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，簡稱燃料電池系統(tǒng)。1

、燃料電池組2、輔助裝置和關(guān)鍵設(shè)備：

(1)燃料和燃料儲存器，包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器(2)氧化劑和氧化劑存儲器(3)供給管道系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括氣體輸送泵、熱交換器、氣體分離和凈化裝置）(4)水和熱管理系統(tǒng)1.2燃料電池系統(tǒng)組成單獨的燃料電

燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：

1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

4溶化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）1.2燃料電池系統(tǒng)組成燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜；4）雙極板。工作時，氫在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉樱踉拥玫綇年枠O傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangem在電極上的這些反應(yīng)如下：陽極：陰極：整體：質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）在電極上的這些反應(yīng)如下：2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（prot500kw質(zhì)子交換膜燃料電池500kw質(zhì)子交換膜燃料電池2.2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水。堿性燃料電池的設(shè)計基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。

電化學(xué)反應(yīng)：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。

燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。2.2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--2.3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。

由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強。磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。優(yōu)點是構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。2.3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuel2.4熔化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

熔化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，使用溶化的鋰鉀碳酸鹽、鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。

當(dāng)溫度加熱到650℃時，這種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔?，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。這種電池需要較長的時間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運輸。2.4熔化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonat

2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）

固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000℃之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，從而完成循環(huán)。陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng):

固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。

固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具有為車輛提供備用動力的潛力。2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuel能源材料學(xué)習(xí)培訓(xùn)資料課件各種燃料電池的工作原理

堿性燃料電池

聚合物離子膜燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池

直接甲醇燃料電池

各種燃料電池的工作原理堿性燃料電池聚合物離子膜燃料電池磷3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀

燃料電池種類較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本是非常高的，約為每平米600美元。其中膜的成本占20%～30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。據(jù)研究計劃報道，其第三代質(zhì)子交換膜BAM3G，價格將為每平米50美元。3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀燃料電4燃料電池的現(xiàn)狀

目前，使用燃料電池面臨的主要問題：

1燃料問題氧氣可以直接從空氣中獲得；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進來，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟。

2安全問題氫氣是易燃?xì)怏w，使用時要防止泄露，爆炸等危險情況的發(fā)生。

阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問題。4燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問題：5燃料電池汽車（FCEV-FuelCellElectricVehicle)的基本結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅(qū)動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。5燃料電池汽車（FCEV-FuelCellElectri5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有四種結(jié)構(gòu):(1)純?nèi)剂想姵?PFC)PFC只有燃料電池一個能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動時間、耐起動循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。

(2)燃料電池和輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(FC＋B)FC＋B有燃料電池和輔助動力裝置(蓄電池)兩個動力源。通常燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時所需的平均功率，而輔助動力裝置用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。這樣動力系統(tǒng)的動力性增強，運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運行效率得到提高。

(3)燃料電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC＋C)、

(4)燃料電池加輔助電池加超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC＋B＋C)

5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電燃料電池混合動力(FC＋B)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)燃料電池混合動力(FC＋B)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)5.2燃料電池汽車的特點1、效率高燃料電池汽車路試時可以達(dá)到40~50%的效率而普通汽車只有10~16%。燃料電池汽車總效率比混合動力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動汽車僅排放熱和水——高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對石油的依存度，超過警戒線30%，預(yù)計2020年>60%。5.2燃料電池汽車的特點1、效率高5.3燃料汽車的工作過程

當(dāng)氫氣和氧化劑進入燃料電池后，用燃料電池控制模塊對燃料電池的壓力、溫度和反應(yīng)速度以及燃料電池的負(fù)荷變化進行控制和調(diào)節(jié),控制燃料電池正常運轉(zhuǎn)和發(fā)生故障后的應(yīng)急處理。在燃料電池運作的過程中,采用熱管理模塊和產(chǎn)出物管理模塊對廢熱的使用和排放的H?O、CO?、CO等進行處理，使反應(yīng)過程連續(xù)進行。5.3燃料汽車的工作過程當(dāng)氫氣和氧化劑進入燃料電6燃料電池汽車的研發(fā)進展

在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、日本豐田和本田等。國內(nèi)有上海的超越號，東風(fēng)的楚天一號。6燃料電池汽車的研發(fā)進展在全球溫室效應(yīng)與能通用Hy-wire

氫動三號

由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里。通用Hy-wire

氫動三號由200塊通用Hy-wire氫動三號的電池組通用Hy-wire氫動三號的電池組

通用汽車氫燃料電池車Sequel

Sequel可連續(xù)行駛300英里，且能夠在10秒內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到60英里/小時。Sequel燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的氫能源可以被直接轉(zhuǎn)換為電能。車輛加速時備用高壓鋰電池系統(tǒng)可向三只驅(qū)動電機提供額外動力；車輛剎車時鋰電池系統(tǒng)可以用來儲存剎車時回收的能量以提高車輛的連續(xù)行駛能力。其電氣系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，其中高壓系統(tǒng)為驅(qū)動裝置提供動力，42V系統(tǒng)為一般電氣設(shè)備供電，12V系統(tǒng)為輔助設(shè)備提供電源。通用汽車氫燃料電池車Sequel

奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上。充氫壓力為70MPa，持續(xù)行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電池，輸出功率為20kW。奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”馬達(dá)輸出功率達(dá)10

同濟大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機。它能在14秒內(nèi)加速到80公里，最高時速達(dá)110公里，可連續(xù)行駛210公里。在車后行李箱內(nèi)，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進入反應(yīng)器，和空氣中的氧氣結(jié)合釋放能量，提供汽車前進的動力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采用了鋁板碳纖維的特殊材料，里面層層設(shè)防。為安全起見，在后廂內(nèi)還安裝了監(jiān)測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報警。經(jīng)測試該車在污染排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經(jīng)濟性方面達(dá)到A級水平。超越二號同濟大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機。它能在14秒內(nèi)加速到7燃料電池汽車尚需解決的問題燃料電池汽車走下生產(chǎn)線投入市場，還需要解決許多的實際問題，1整車的開發(fā)設(shè)計2車用燃料氫，其制備、儲存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題3電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求4成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機的成本為300美分/KW，是內(nèi)燃機的10倍7燃料電池汽車尚需解決的問題燃料電池汽車44---------氫能源

資源豐富發(fā)熱量高（140kJ/kg）無污染氨合成、煉油工業(yè)、半導(dǎo)體和食品加工工業(yè)不可缺少的原料

44---------氫能源45

氫是一種重要的二次能源，其開發(fā)引起人們很大的興趣。 ---------氫能源

由于常規(guī)能源（煤、石油、天然氣等）長期的過量開采已經(jīng)瀕臨枯竭，人們利用太陽能、地?zé)帷L(fēng)能等并試圖將其轉(zhuǎn)化為二次能源。需由一次能源生產(chǎn)出來!(非自然形態(tài)存在)?45氫是一種重要的二次能源，其開發(fā)引起人們很大的興趣46制備？存貯46制備？存貯2022/12/2247實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù)廉價而又高效的制氫技術(shù)安全高效的儲氫技術(shù)－開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急車用氫氣存儲系統(tǒng)目標(biāo)：IEA:質(zhì)量儲氫容量>5%;體積容量>50kg(H2)/m3DOE:>6.5%,

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62kg(H2)/m32022/12/1947實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù)廉價而又高效的48氫能源：制備

氫是二次能源，需由一次能源生產(chǎn)出來。電解水能量消耗大，成本也高；熱化學(xué)法效率高，但剛起步，還有許多問題尚待解決；光分解法利用太陽能到海水中取氫，是大量制取氫的最有希望的方向。48氫能源：制備氫是二次能源，需由一49氫能源：貯存

氫氣在常溫下是氣體，與液、固體相比，比重小，單位重量體積大，貯存很困難。氣態(tài)貯存要用很重的高壓氫氣瓶，液態(tài)貯存要達(dá)到-253℃,都有安全性的問題，很不經(jīng)濟。

——金屬貯氫

——吸附貯氫49氫能源：貯存氫氣在常溫下是氣50不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：能量密度低不太安全液化儲氫：能耗高對儲罐絕熱性能要求高50不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：51不同儲氫方式的比較固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：體積儲氫容量高無需高壓及隔熱容器安全性好，無爆炸危險可得到高純氫，提高氫的附加值51不同儲氫方式的比較固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：2022/12/2252體積比較2022/12/1952體積比較2022/12/2253氫含量比較2022/12/1953氫含量比較2022/12/2254儲氫材料技術(shù)現(xiàn)狀3.1金屬氫化物3.2配位氫化物3.3納米材料2022/12/1954儲氫材料技術(shù)現(xiàn)狀3.1金屬氫化物55貯氫合金

——貯存氫氣的金屬倉庫

合金（或金屬）:與氫氣反應(yīng)能形成氫化物而貯存，該氫化物在加熱時便分解又能放出氫氣

貯氫合金它是將氫原子貯存在金屬的晶格間隙中，可貯存相當(dāng)與合金自身數(shù)百倍之多的氫氣。美國透平公司研制成功了一臺3000Ｗ的空調(diào)裝置,采用金屬氫化物和氫氣作為工質(zhì),且可在低溫運行。55貯氫合金

——貯存氫氣的金屬倉庫

合金（或金屬）:與氫56貯氫原理生成金屬氫化物許多金屬（或合金）可以固溶氫氣形成含氫的固溶體（MHx），固溶體的溶解度[H]M與其平衡氫壓PH2的平方根成正比：

（2/x）M+H2（2/x）MHx+ΔH

貯氫合金56貯氫原理生成金屬氫化物許多金2022/12/2257PositionforHoccupiedatHSM

HydrogenonTetrahedralSites

HydrogenonOctahedralSites2022/12/1957PositionforHocc58金屬氫化物：貯氫反應(yīng)貯氫反應(yīng)是可逆反應(yīng)：

２／(y-x）MHx+H2２／(y-x）MHy+ΔH

正向反應(yīng)：吸氫，放熱逆向反應(yīng)：釋氫，吸熱

反應(yīng)受溫度、壓力與合金成分的控制

——平衡氫壓-氫濃度等溫曲線

——平衡氫壓-溫度曲線58金屬氫化物：貯氫反應(yīng)貯氫反應(yīng)是可逆反應(yīng)：59

M-H系統(tǒng)P-C-T平衡圖A、B點平衡氫壓P-C-T滯后59M-H系統(tǒng)P-C-T平衡圖A、B點60SHA:平衡分解壓與溫度之間的關(guān)系

對任一合金，當(dāng)溫度和壓力值在曲線上側(cè)時，合金吸氫，生成金屬氫化物，放出熱量；反之，金屬氫化物發(fā)生分解，放出氫氣，同時吸收熱量。由圖可求金屬-氫系的熱力學(xué)參數(shù)：

ΔG?=-RTlnKp=RTlnPH2

又ΔG?=ΔH?-TΔS?

故lnPH2=ΔH?/RT-ΔS?/R

由斜率和截距即可確定ΔH?和ΔS?60SHA:平衡分解壓與溫度之間的關(guān)系61

利用影響反應(yīng)平衡的溫度、氫氣壓力因素，可實現(xiàn)材料的吸釋氫功能。61利用影響反應(yīng)平衡的溫度、氫氣壓力因素，可實62實用貯氫合金：基本特性

吸氫能力大具有一定的活化性金屬氫化物的生成熱適當(dāng)平衡氫壓適當(dāng)吸氫、釋氫速度快傳熱性能好對氧、水和二氧化碳等雜質(zhì)敏感性小在貯存與運輸過程中性能可靠、安全、無害化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)久耐用價格便宜62實用貯氫合金：基本特性吸氫能力大63實用貯氫合金：基本組成

A：吸氫組元

B：非吸氫組元（調(diào)整平衡壓）能夠基本滿足上述要求的主要合金成分有：Mg,Ti,Nb,V,Zr和稀土類金屬，添加成分有：Cr,Fe,Mn,Co,Ni,Cu等。63實用貯氫合金：基本組成A：吸氫組元2022/12/2264金屬氫化物儲氫目前研制成功的：稀土鑭鎳系鈦鐵系鎂系鈦/鋯系2022/12/1964金屬氫化物儲氫目前研制成功的：2022/12/2265稀土鑭鎳系儲氫合金

典型代表：LaNi5,荷蘭Philips實驗室首先研制

特點：

活化容易平衡壓力適中且平坦，吸放氫平衡壓差小抗雜質(zhì)氣體中毒性能好適合室溫操作

經(jīng)元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)廣泛用于鎳/氫電池2022/12/1965稀土鑭鎳系儲氫合金典型代表：La2022/12/2266PCTcurvesofLaNi5alloy

2022/12/1966PCTcurvesofLa2022/12/2267鈦鐵系典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實驗室首先發(fā)明價格低室溫下可逆儲放氫易被氧化活化困難抗雜質(zhì)氣體中毒能力差實際使用時需對合金進行表面改性處理2022/12/1967鈦鐵系典型代表：TiFe，美Broo2022/12/2268PCTcurvesofTiFealloy

TiFe(40℃)2022/12/1968PCTcurvesofTiFe2022/12/2269TiFealloy

Characteristics:

twohydridephases;phase(TiFeH1.04)&

phase(TiFeH1.95)2.13TiFeH0.10+1/2H2→2.13TiFeH1.042.20TiFeH1.04+1/2H2→2.20TiFeH1.95

2022/12/1969TiFealloy

Charact2022/12/2270鎂系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實驗室首先報道儲氫容量高資源豐富價格低廉放氫溫度高（250－300℃）放氫動力學(xué)性能較差改進方法：機械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或復(fù)合2022/12/1970鎂系典型代表：Mg2Ni，美Broo2022/12/2271鈦/鋯系具有Laves相結(jié)構(gòu)的金屬間化合物原子間隙由四面體構(gòu)成，間隙多，有利于氫原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氫汽車儲氫、電池負(fù)極Ovinic

2022/12/1971鈦/鋯系具有Laves相結(jié)構(gòu)的金屬間2022/12/2272配位氫化物儲氫堿金屬（Li、Na、K）或堿土金屬（Mg、Ca）與第三主族元素(B、Al)形成儲氫容量高再氫化難(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氫壓下獲得5％的可逆儲放氫容量)2022/12/1972配位氫化物儲氫堿金屬（Li、Na、K73金屬配位氫化物的的主要性能73金屬配位氫化物的的主要性能2022/12/2274碳納米管（CNTs）單壁納米碳管束TEM照片多壁納米碳管TEM照片2022/12/1974碳納米管（CNTs）單壁納米碳管束T2022/12/2275納米碳管吸附儲氫：HydrogenstoragecapacitiesofCNTsandLaNi5forcomparison(datadeterninedbyIMR，RT，10MPa)2022/12/1975納米碳管吸附儲氫：Hydrogen2022/12/2276納米碳管電化學(xué)儲氫2022/12/1976納米碳管電化學(xué)儲氫2022/12/2277納米材料儲氫存在的問題：世界范圍內(nèi)所測儲氫量相差太大：0.01（wt）%-67（wt）%,如何準(zhǔn)確測定？儲氫機理如何2022/12/1977納米材料儲氫存在的問題：世界范圍內(nèi)所78測定貯氫量的三種方法

(1)體積法。將樣品置于一恒定體積的容器中,通過氫氣壓力變化而測定樣品的貯氫量。要求:樣品量一般大于500ｍｇ或更多,而且體系不漏氣和溫度不變

;(2)重量法。通過吸脫附過程中的樣品重量變化測定貯氫量。該法有極高精確度,樣品有10ｍｇ就行,但該法對所有的吸脫附氣體均敏感;

(3)熱脫附譜法。該法利用質(zhì)譜儀,只能測定高真空下氫的脫附,具有高選擇性和極高的靈敏度。當(dāng)用氘氣(Ｄ2)處理樣品時,選擇性和靈敏度能進一步提高,因為在這種情況下將沒有水和其它吸附劑中氫的背景干擾。78測定貯氫量的三種方法(1)體積法。將樣品置于一恒定體79貯氫合金的應(yīng)用貯存氫氣的容器氫能汽車分離、回收氫制取高純度氫氫氣靜壓機氫化物電極熱能的貯存與運輸熱泵空調(diào)與制冷催化劑79貯氫合金的應(yīng)用貯存氫氣的容器80

氫化物電極

——二次電池

研究始于70年代初

Justi等人首先發(fā)現(xiàn)LaNi5和TiNi等貯氫材料不僅具有陰極貯氫能力且對氫的陽極氧化也有良好的電催化活性。實用化階段直到1984年P(guān)hilips公司研制的LaNi5基多元合金在循環(huán)壽命方面的突破，利用金屬氫化物電極代替Ni-Cd電池的負(fù)極組成的Ni-MH電池才進入實用化階段。80氫化物電極

——二81Ni-MH電池：優(yōu)點

比能量為Ni-Cd電池的1.5-2倍無重金屬鎘對人體的危害良好的耐過充、過放電性能無記憶效應(yīng)主要特性與Ni-Cd電池相近，可以互換使用等81Ni-MH電池：優(yōu)點

比能量為Ni-Cd電池的1.5-282

以氫化物為負(fù)極，Ni(OH)2為正極KOH水溶液為電解質(zhì)組成的Ni-MH電池電極反應(yīng)如下：

正極：Ni(OH)2+OH-充電NiOOH+H2O+e

負(fù)極：M+xH2O+xe放電MHx+xOH-

總的電極反應(yīng)：

M+X(NiOH)2

充電

MHx+XNiOOH

放電Ni-MH電池：電極反應(yīng)82以氫化物為負(fù)極，Ni(OH83

在堿性電解質(zhì)溶液中良好的化學(xué)穩(wěn)定性高的陰極貯氫容量合適的室溫平臺壓力良好的電催化活性和抗陰極氧化能力良好的電極反應(yīng)動力學(xué)特性貯氫電極合金：基本要求

決定氫化物電極性能的最主要因素是貯氫材料本身。83貯氫電極合金：基本要求84如何實現(xiàn):電池性能兩大指標(biāo)循環(huán)壽命電化學(xué)容量84如何實現(xiàn):電池性能兩大指標(biāo)循環(huán)壽命電化學(xué)容量85氫化物電極：電化學(xué)容量

取決于金屬氫化物MHx中的氫容量X(=H/M，原子比)。據(jù)法拉第電解定律，對一最大吸氫量為X的ABn型貯氫材料的理論電化學(xué)容量為：

C=XF/3.6M(mA.h/g)

式中，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，M為貯氫材料分子量

氫化物電極的的實際容量均低于理論值，其與貯氫電極材料的可逆貯氫特性、熱力學(xué)穩(wěn)定性以及電池工作條件如溫度、壓力、放電速率等有關(guān)85氫化物電極：電化學(xué)容量取決于金屬氫化86氫化物電極：循環(huán)特性

氫化物電極滿足實用化要求的循環(huán)工作壽命必須大于500次。稀土系貯氫電極合金容量隨循環(huán)次數(shù)遞減的規(guī)律可由下述指數(shù)關(guān)系式表示：

Cn=C0exp(n/n0)

Cn和n分別表示循環(huán)后的實際容量及循環(huán)次數(shù)，C0表示起始容量，參數(shù)n0反映衰退速率，可視為氫化物電極在循環(huán)中的穩(wěn)定性常數(shù)。86氫化物電極：循環(huán)特性氫化物電極滿足實用87提高工作壽命的途徑設(shè)計成多元合金合金組成非化學(xué)計量改變合金顯微組織表面化學(xué)處理與化學(xué)鍍覆等87提高工作壽命的途徑設(shè)計成多元合金88

金屬氫化物成本還較高,壽命也較低,還需要進一步研究和開發(fā)。

目前,用于貯氫的吸附劑主要有:分子篩、一般活性炭、比表面積高的活性炭以及新型吸附劑。在77Ｋ和5MPa下AX21活性炭的重量貯氫密度大約100gH2/Kg吸附劑,體積密度為32kgH2,但仍然不能達(dá)到能源部的貯氫目標(biāo)

更為高效的氫吸收劑吸附貯氫88金屬氫化物成本還較高,壽命也較低,還89展望

能源材料是各類能源中的關(guān)鍵組成部分,因此,研究和開發(fā)用于節(jié)能、貯能、發(fā)電、太陽能應(yīng)用及空調(diào)的相關(guān)材料

,將對能源的合理應(yīng)用,新能源的開發(fā),清潔和無污染可再生能源的開發(fā)將有著重大的理論意義和應(yīng)用前景。89展望能源材料是各類能源中能源材料能源材料91近10年來—>能源材料

自從20世紀(jì)80年代出現(xiàn)能源危機及大量的能源消耗導(dǎo)致的環(huán)境污染和溫室效應(yīng),

人們一直在研究高效能源與節(jié)能技術(shù),可再生環(huán)保型能源：太陽能、風(fēng)能利用技術(shù)等。由此產(chǎn)生了有廣闊應(yīng)用前景的太陽能儲熱熱水器及加熱器,太陽能空調(diào)器、燃料電池、貯氫及氫能利用、核能電站等。2近10年來—>能源材料自92

能源材料類別

儲能材料

太陽能儲熱加熱器,工業(yè)余熱利用儲熱加熱器,太陽能儲能空調(diào)器節(jié)能材料

高效節(jié)能電加熱器及裝置能量轉(zhuǎn)換材料

燃料電池,貯氫材料及氫能利用核能材料核反應(yīng)堆電站等。3能源材料類別儲能材料93（一）儲能材料

——相變儲熱(LTES)材料

特點:儲熱密度高、儲熱放熱近似等溫、過程易控制的。

提高儲熱系統(tǒng)的相變速率,熱效率,儲熱密度和長期穩(wěn)定型是目前面臨的重要課題。

相變儲熱是有效利用新能源和節(jié)能的重要途徑4（一）儲能材料

——相變儲熱(L94儲熱機理及特點A：相變過程

GL；GG

相變過程中,材料要經(jīng)歷物理狀態(tài)的變化，從環(huán)境中吸熱或向環(huán)境放熱，材料自身的溫度在相變完成前幾乎維持不變（相變溫度范圍很窄）。物理狀態(tài)發(fā)生變化時,大量相變熱轉(zhuǎn)移到環(huán)境中時,產(chǎn)生了一個寬的溫度平臺。

體現(xiàn)了恒溫時間的延長

,并可與顯熱和絕緣材料區(qū)分開來(絕緣材料只提供熱溫度變化梯度)。相變材料在熱循環(huán)時,儲存或釋放潛熱。5儲熱機理及特點A：相變過程相變過程中,材料95B：相變材料特點凝固熔化溫度區(qū)間窄相變熱高導(dǎo)熱率高比熱大凝固時無過冷或過冷度極小化學(xué)性能穩(wěn)定室溫下蒸汽壓低6B：相變材料特點凝固熔化溫度區(qū)間窄96LTES材料的發(fā)展

近30年代來,相變儲熱(ＬＴＥＳ)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)研究在發(fā)達(dá)國家(如美國、加拿大、日本、德國等)得到不斷發(fā)展。

材料科學(xué),太陽能,航天技術(shù),工程熱物理,建筑物空調(diào)采暖通風(fēng)及工業(yè)廢熱利用等領(lǐng)域的相互滲透與迅猛發(fā)展為ＬＴＥＳ研究和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。7LTES材料的發(fā)展近30年代來,97

實用化的相變材料（PCM）

種類無機ＰＣＭ包括：結(jié)晶水合鹽,熔融鹽,金屬合金和其他無機物;有機類ＰＣＭ包括：石蠟,酸酯和其他有機物;復(fù)合ＰＣＭ主要是有機和無機共融ＰＣＭ的混合物。8實用化的相變材料（PCM）

98無機相變材料——結(jié)晶水合鹽

結(jié)晶水合鹽提供了從幾℃至100多℃熔點的近70種可供選擇的ＰＣＭ。優(yōu)點：價格便宜,體積儲熱密度大,溶解熱大,導(dǎo)熱系數(shù)比有機ＰＣＭ大,一般呈中性。缺點：過冷度大和易析出分離。

解決過冷度大的方法

解決析出的方法——中低溫ＰＣＭ加微粒結(jié)構(gòu)與鹽類結(jié)晶物相類似的成核劑和攪拌添加增稠劑,晶體結(jié)構(gòu)改變劑和攪拌?9無機相變材料——結(jié)晶水合鹽結(jié)晶水合鹽99有機相變材料——石蠟石蠟由直烷烴混合組成常用石蠟ＰＣＭ的熔點為-12～75.9℃，熔解熱為150ｋＪ/ｋｇ到250ｋＪ/ｋｇ

優(yōu)點：熔解熱大，一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定，無腐蝕性且在有機ＰＣＭ中價格最低

缺點：導(dǎo)熱系數(shù)小和密度小酸酯類也是常用的有機ＰＣＭ，其性能特點與石蠟相似10有機相變材料——石蠟石蠟由直烷烴混合組成100復(fù)合相變材料

把相變材料（潛熱大）與普通建筑材料相結(jié)合，可形成一種新型復(fù)合儲能建筑材料，其兼?zhèn)淦胀ńú暮拖嘧儾牧蟽烧叩膬?yōu)點。復(fù)合相變建材具有普通建材無法比擬的熱容，對于房間內(nèi)的氣溫穩(wěn)定及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)是非常有利的。

------目前，采用的相變材料的潛熱達(dá)到170Ｊ/ｇ左右，而普通建材在溫度變化1℃時儲存同等熱量將需要190倍相變材料的質(zhì)量。11復(fù)合相變材料把相變材料（潛熱大）與普101

儲能建材的要求相變材料的熱物性

(相變溫度等)相變材料與建筑材料的相容性

結(jié)合工藝:(1)通過浸泡將相變材料滲入建材基體;(2)將高密度交聯(lián)鍵聚乙烯顆粒在熔化的相變材料中膨脹;(3)將相變材料吸入半流動性的硅石細(xì)粉中然后滲入建材板中。經(jīng)濟性

目前國內(nèi)外的研究都集中在有機相變材料,主要有烷烴,酯,醇和石蠟等。12儲能建材的要求相變材料的熱物性(相變溫度等)102國內(nèi)研究現(xiàn)狀

三種相變材料純物質(zhì):正十六烷、正十八烷、硬酯酸正丁酯

,分別于三種建材基體[石膏板(不含纖維)、石膏纖維板及粘土磚]制成儲能建材。正烷烴的潛熱遠(yuǎn)大于硬酯酸正丁酯，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；但硬酯酸正丁酯價格低,因此有一定的使用價值。

其中正十八烷以其熔點接近空調(diào)舒適溫度而在相當(dāng)長的時間內(nèi)被研究者所矚目。但其價格高,且滲有正十八烷的儲能建材在長時間處于相變溫度以下其自由表面有嚴(yán)重的結(jié)霜傾向。13國內(nèi)研究現(xiàn)狀三種相變材料純物質(zhì):正十六烷、正十八烷、熱水袋——持續(xù)放熱4~8小時103熱水袋——持續(xù)放熱4~8小時14燃料電池及其應(yīng)用燃料電池及其應(yīng)用內(nèi)容提要燃料電池(FuelCell)的基本原理及組成燃料電池的分類質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池的發(fā)展趨勢燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)及特點燃料電池汽車的研發(fā)進展內(nèi)容提要燃料電池(FuelCell)的基本原理及組成1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理氧與碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成水、CO2的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電基本組成：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑催化劑，例如白金，常用來加速電化學(xué)反應(yīng)1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理氧與碳?xì)浠先剂希篐2、CH4、CH3OH、CO等氧化劑：氧氣或空氣電解質(zhì)：水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等

發(fā)電時，陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。

與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。

1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理燃料：H2、CH4、CH3OH、CO等1.1燃料電池(Fue1.2燃料電池系統(tǒng)組成

單獨的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的，它必需和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，簡稱燃料電池系統(tǒng)。1

、燃料電池組2、輔助裝置和關(guān)鍵設(shè)備：

(1)燃料和燃料儲存器，包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器(2)氧化劑和氧化劑存儲器(3)供給管道系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括氣體輸送泵、熱交換器、氣體分離和凈化裝置）(4)水和熱管理系統(tǒng)1.2燃料電池系統(tǒng)組成單獨的燃料電

燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：

1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

4溶化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）1.2燃料電池系統(tǒng)組成燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜；4）雙極板。工作時，氫在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉?，氧原子得到從陽極傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangem在電極上的這些反應(yīng)如下：陽極：陰極：整體：質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）在電極上的這些反應(yīng)如下：2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（prot500kw質(zhì)子交換膜燃料電池500kw質(zhì)子交換膜燃料電池2.2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水。堿性燃料電池的設(shè)計基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。

電化學(xué)反應(yīng)：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。

燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。2.2堿性燃料電池（alkalinefuelcell--2.3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。

由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強。磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。優(yōu)點是構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。2.3磷酸燃料電池（phosphoricacidfuel2.4熔化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

熔化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，使用溶化的鋰鉀碳酸鹽、鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。

當(dāng)溫度加熱到650℃時，這種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔铮谌剂想姵亟Y(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。這種電池需要較長的時間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運輸。2.4熔化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonat

2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）

固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000℃之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，從而完成循環(huán)。陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng):

固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。

固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具有為車輛提供備用動力的潛力。2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuel能源材料學(xué)習(xí)培訓(xùn)資料課件各種燃料電池的工作原理

堿性燃料電池

聚合物離子膜燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池

直接甲醇燃料電池

各種燃料電池的工作原理堿性燃料電池聚合物離子膜燃料電池磷3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀

燃料電池種類較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本是非常高的，約為每平米600美元。其中膜的成本占20%～30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。據(jù)研究計劃報道，其第三代質(zhì)子交換膜BAM3G，價格將為每平米50美元。3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀燃料電4燃料電池的現(xiàn)狀

目前，使用燃料電池面臨的主要問題：

1燃料問題氧氣可以直接從空氣中獲得；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進來，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟。

2安全問題氫氣是易燃?xì)怏w，使用時要防止泄露，爆炸等危險情況的發(fā)生。

阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問題。4燃料電池的現(xiàn)狀目前，使用燃料電池面臨的主要問題：5燃料電池汽車（FCEV-FuelCellElectricVehicle)的基本結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅(qū)動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。5燃料電池汽車（FCEV-FuelCellElectri5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有四種結(jié)構(gòu):(1)純?nèi)剂想姵?PFC)PFC只有燃料電池一個能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動時間、耐起動循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。

(2)燃料電池和輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(FC＋B)FC＋B有燃料電池和輔助動力裝置(蓄電池)兩個動力源。通常燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時所需的平均功率，而輔助動力裝置用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。這樣動力系統(tǒng)的動力性增強，運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運行效率得到提高。

(3)燃料電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC＋C)、

(4)燃料電池加輔助電池加超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC＋B＋C)

5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電燃料電池混合動力(FC＋B)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)燃料電池混合動力(FC＋B)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)5.2燃料電池汽車的特點1、效率高燃料電池汽車路試時可以達(dá)到40~50%的效率而普通汽車只有10~16%。燃料電池汽車總效率比混合動力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動汽車僅排放熱和水——高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對石油的依存度，超過警戒線30%，預(yù)計2020年>60%。5.2燃料電池汽車的特點1、效率高5.3燃料汽車的工作過程

當(dāng)氫氣和氧化劑進入燃料電池后，用燃料電池控制模塊對燃料電池的壓力、溫度和反應(yīng)速度以及燃料電池的負(fù)荷變化進行控制和調(diào)節(jié),控制燃料電池正常運轉(zhuǎn)和發(fā)生故障后的應(yīng)急處理。在燃料電池運作的過程中,采用熱管理模塊和產(chǎn)出物管理模塊對廢熱的使用和排放的H?O、CO?、CO等進行處理，使反應(yīng)過程連續(xù)進行。5.3燃料汽車的工作過程當(dāng)氫氣和氧化劑進入燃料電6燃料電池汽車的研發(fā)進展

在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、日本豐田和本田等。國內(nèi)有上海的超越號，東風(fēng)的楚天一號。6燃料電池汽車的研發(fā)進展在全球溫室效應(yīng)與能通用Hy-wire

氫動三號

由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)400公里和270公里。通用Hy-wire

氫動三號由200塊通用Hy-wire氫動三號的電池組通用Hy-wire氫動三號的電池組

通用汽車氫燃料電池車Sequel

Sequel可連續(xù)行駛300英里，且能夠在10秒內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到60英里/小時。Sequel燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的氫能源可以被直接轉(zhuǎn)換為電能。車輛加速時備用高壓鋰電池系統(tǒng)可向三只驅(qū)動電機提供額外動力；車輛剎車時鋰電池系統(tǒng)可以用來儲存剎車時回收的能量以提高車輛的連續(xù)行駛能力。其電氣系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，其中高壓系統(tǒng)為驅(qū)動裝置提供動力，42V系統(tǒng)為一般電氣設(shè)備供電，12V系統(tǒng)為輔助設(shè)備提供電源。通用汽車氫燃料電池車Sequel

奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上。充氫壓力為70MPa，持續(xù)行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電池，輸出功率為20kW。奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”馬達(dá)輸出功率達(dá)10

同濟大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機。它能在14秒內(nèi)加速到80公里，最高時速達(dá)110公里，可連續(xù)行駛210公里。在車后行李箱內(nèi)，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進入反應(yīng)器，和空氣中的氧氣結(jié)合釋放能量，提供汽車前進的動力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采用了鋁板碳纖維的特殊材料，里面層層設(shè)防。為安全起見，在后廂內(nèi)還安裝了監(jiān)測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報警。經(jīng)測試該車在污染排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經(jīng)濟性方面達(dá)到A級水平。超越二號同濟大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機。它能在14秒內(nèi)加速到7燃料電池汽車尚需解決的問題燃料電池汽車走下生產(chǎn)線投入市場，還需要解決許多的實際問題，1整車的開發(fā)設(shè)計2車用燃料氫，其制備、儲存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題3電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求4成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機的成本為300美分/KW，是內(nèi)燃機的10倍7燃料電池汽車尚需解決的問題燃料電池汽車133---------氫能源

資源豐富發(fā)熱量高（140kJ/kg）無污染氨合成、煉油工業(yè)、半導(dǎo)體和食品加工工業(yè)不可缺少的原料

44---------氫能源134

氫是一種重要的二次能源，其開發(fā)引起人們很大的興趣。 ---------氫能源

由于常規(guī)能源（煤、石油、天然氣等）長期的過量開采已經(jīng)瀕臨枯竭，人們利用太陽能、地?zé)?、風(fēng)能等并試圖將其轉(zhuǎn)化為二次能源。需由一次能源生產(chǎn)出來!(非自然形態(tài)存在)?45氫是一種重要的二次能源，其開發(fā)引起人們很大的興趣135制備？存貯46制備？存貯2022/12/22136實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù)廉價而又高效的制氫技術(shù)安全高效的儲氫技術(shù)－開發(fā)新型高效的儲氫材料和安全的儲氫技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急車用氫氣存儲系統(tǒng)目標(biāo)：IEA:質(zhì)量儲氫容量>5%;體積容量>50kg(H2)/m3DOE:>6.5%,

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62kg(H2)/m32022/12/1947實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù)廉價而又高效的137氫能源：制備

氫是二次能源，需由一次能源生產(chǎn)出來。電解水能量消耗大，成本也高；熱化學(xué)法效率高，但剛起步，還有許多問題尚待解決；光分解法利用太陽能到海水中取氫，是大量制取氫的最有希望的方向。48氫能源：制備氫是二次能源，需由一138氫能源：貯存

氫氣在常溫下是氣體，與液、固體相比，比重小，單位重量體積大，貯存很困難。氣態(tài)貯存要用很重的高壓氫氣瓶，液態(tài)貯存要達(dá)到-253℃,都有安全性的問題，很不經(jīng)濟。

——金屬貯氫

——吸附貯氫49氫能源：貯存氫氣在常溫下是氣139不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：能量密度低不太安全液化儲氫：能耗高對儲罐絕熱性能要求高50不同儲氫方式的比較氣態(tài)儲氫：140不同儲氫方式的比較固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：體積儲氫容量高無需高壓及隔熱容器安全性好，無爆炸危險可得到高純氫，提高氫的附加值51不同儲氫方式的比較固態(tài)儲氫的優(yōu)勢：2022/12/22141體積比較2022/12/1952體積比較2022/12/22142氫含量比較2022/12/1953氫含量比較2022/12/22143儲氫材料技術(shù)現(xiàn)狀3.1金屬氫化物3.2配位氫化物3.3納米材料2022/12/1954儲氫材料技術(shù)現(xiàn)狀3.