《新能源發(fā)電技術(shù)第2版》 課件 第8、9章 波浪能、氫能與燃料電池

第8講波浪能和波浪能發(fā)電§8波浪能和波浪發(fā)電

§8.1波浪的成因和類型海水在風(fēng)等外力作用下沿水平方向的周期性運(yùn)動(dòng)，形成波浪，俗稱海浪。波浪的能量來(lái)自于風(fēng)和海面的相互作用，是風(fēng)的一部分能量傳給了海水，變成波浪的動(dòng)能和勢(shì)能。風(fēng)傳遞給海水的能量取決于風(fēng)速、風(fēng)與海水作用時(shí)間及作用路程，表現(xiàn)為不同速度、不同“大小”的波浪。海浪的波高從幾毫米到幾十米，

波長(zhǎng)從幾毫米到數(shù)千公里，

周期從零點(diǎn)幾秒到幾小時(shí)以上。波浪的分類（按形成和發(fā)展的過(guò)程）風(fēng)浪，指的是在風(fēng)的直接吹拂作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)。 由于海浪會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，往往由風(fēng)引起的波浪在靠近其形成的區(qū)域才被稱為風(fēng)浪。風(fēng)浪可從其形成區(qū)域傳播開(kāi)去，出現(xiàn)在距離很遠(yuǎn)的海面。這種不在有風(fēng)海域的波浪稱為涌浪。涌浪包括傳到無(wú)風(fēng)海區(qū)的風(fēng)浪和海風(fēng)停息或風(fēng)速、風(fēng)向突變后的存留下來(lái)的風(fēng)浪余波。外海的風(fēng)浪或涌浪傳到海岸附近，受水深和地形作用會(huì)改變波動(dòng)性質(zhì)，出現(xiàn)折射、波面破碎和倒卷，這就是近岸浪。海浪的等級(jí)（根據(jù)波高大?。┩ǔL(fēng)浪分為10個(gè)等級(jí)，將涌浪分為5個(gè)等級(jí)：0級(jí)無(wú)浪、無(wú)涌，海面水平如鏡；5級(jí)大浪、6級(jí)巨浪，對(duì)應(yīng)4級(jí)大涌，波高2～6米；7級(jí)狂浪、8級(jí)狂濤、9級(jí)怒濤，對(duì)應(yīng)5級(jí)巨涌，波高6.1米到10多米。水面上的大小波浪交替，有規(guī)律地順風(fēng)滾動(dòng)前進(jìn)；水面下的波浪隨風(fēng)力不同做直徑不同、轉(zhuǎn)速不同的圓周或橢圓運(yùn)動(dòng)，如圖8.1所示。海浪的運(yùn)動(dòng)海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能資源的分布和特點(diǎn)波浪的前進(jìn)，產(chǎn)生動(dòng)能，波浪的起伏產(chǎn)生勢(shì)能。形成波浪的原動(dòng)力主要來(lái)自于風(fēng)對(duì)海水的壓力以及其與海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了風(fēng)能而形成的，其根本來(lái)源是太陽(yáng)能（風(fēng)能也來(lái)自于太陽(yáng)能）。波浪的能量與波浪的高度、波浪的運(yùn)動(dòng)周期以及迎波面的寬度等多種因素有關(guān)。因此，波浪能是各種海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種。§8.2.1全球波浪能資源根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織1981年出版物的估計(jì)數(shù)字，全世界的波浪能的理論蘊(yùn)藏量為30億千瓦。估計(jì)技術(shù)上允許利用的波浪能約占1/3，即10億千瓦。歐洲和美國(guó)的西部海岸、新西蘭和日本的海岸均為利用波浪能有利地區(qū)。圖8.3波浪能年平均功率密度的全球分布圖（圖中的數(shù)字表示離岸深水處的波浪能平均值（kW/m）§8.2.2我國(guó)波浪能資源我國(guó)海岸線長(zhǎng)，海域遼闊。根據(jù)海洋觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可達(dá)17~39kW/m，渤海灣更高達(dá)42kW/m。據(jù)《中國(guó)新能源與可再生能源1999白皮書(shū)》統(tǒng)計(jì)結(jié)果，進(jìn)入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬(wàn)千瓦。90%以上分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)而常規(guī)能源缺乏的東南沿海，主要是浙江、福建和廣東沿海，以及臺(tái)灣省沿岸。據(jù)波浪能能流密度和開(kāi)發(fā)利用的自然環(huán)境條件，首選浙江、福建沿岸，應(yīng)為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用地區(qū)，其次是廣東東部、長(zhǎng)江口和山東半島南岸中斷。也可以選擇條件較好的地區(qū)，如嵊山島、南麂島、大戢山、云澳、表角、遮浪等處。省份臺(tái)灣浙江廣東福建山東海南江蘇遼寧其他數(shù)量/萬(wàn)kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微軟用戶1]新表格我國(guó)波浪能資源分布表§8.2.3波浪能的優(yōu)點(diǎn)在海洋能中，波浪能除可循環(huán)再生以外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：1）以機(jī)械能形式存在，在各種海洋能中品位最高；2）在海洋能中能流密度最大，在太平洋、大西洋東海岸緯度40～60°區(qū)域，波浪能可達(dá)到30～70kW/m，某些地方達(dá)到100kW/m；3）海浪無(wú)處不在，波浪能在海洋中分布最廣。4）波浪能可通過(guò)較小的裝置實(shí)現(xiàn)其利用；5）波浪能可提供可觀的廉價(jià)能量。§8.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。波浪發(fā)電，一般是通過(guò)波浪能轉(zhuǎn)換裝置，先把波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再最終轉(zhuǎn)換成電能。波浪上下起伏或左右搖擺，能夠直接或間接帶動(dòng)水輪機(jī)或空氣渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)……目前國(guó)際上應(yīng)用的各種波浪能發(fā)電裝置都要經(jīng)過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)換。§8.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪能利用的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置，通常經(jīng)三級(jí)轉(zhuǎn)換：1）波浪能采集系統(tǒng)(即受波體)，捕獲波浪的能量；2）機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(中間轉(zhuǎn)換裝置)，把捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機(jī)械能（一般是某種工質(zhì)如空氣或水的壓力能，或者水的重力勢(shì)能）；3）發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)發(fā)電裝置類似，用空氣渦輪機(jī)或水輪機(jī)等設(shè)備將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能?！?.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式波浪發(fā)電裝置的種類很多……但波浪能的轉(zhuǎn)換方式，大體上可分為四類：1）機(jī)械傳統(tǒng)式2）空氣渦輪式3）液壓式4）蓄能水庫(kù)式§8.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式（1）機(jī)械傳動(dòng)式（2）空氣渦輪式這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且以空氣為工質(zhì)，沒(méi)有液壓油泄露的問(wèn)題。（3）液壓式液壓式指通過(guò)某種泵液裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為液體（油或海水）的壓能或位能，再由油壓馬達(dá)或水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。波浪運(yùn)動(dòng)使海面浮體升沉或水平移動(dòng)，從而產(chǎn)生工作流體的動(dòng)壓力和靜壓力，驅(qū)動(dòng)油壓泵工作，將波浪能轉(zhuǎn)換為油的壓能或產(chǎn)生高壓液體流，經(jīng)油壓系統(tǒng)輸送，再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。但由于液體的不可壓縮性，當(dāng)與波浪相互作用時(shí)，液壓機(jī)構(gòu)能獲得很高的壓強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率也明顯高。（4）蓄能水庫(kù)式蓄能水庫(kù)式，也叫收縮斜坡聚焦波道式。

其實(shí)就是借助上漲的海水制造水位差，然后實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是一些水工建筑，然后是傳統(tǒng)的水輪機(jī)房。而且由于有水庫(kù)儲(chǔ)能，可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調(diào)控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但一般獲得的水位不高，因此效率也不高，而且對(duì)地形條件依賴性強(qiáng)，應(yīng)用受到局限。根據(jù)系留狀態(tài)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為兩大類：（1）固定式（2）漂浮式。第一代裝置，是最初在岸邊發(fā)展的早期裝置，第二代裝置，是后來(lái)近岸或海床錨碇式的，第三代裝置，創(chuàng)新的離岸波浪能轉(zhuǎn)換裝置。§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.5波浪能裝置的安裝模式各種波浪能轉(zhuǎn)換裝置，往往都需要一個(gè)主梁或主軸，即一種居中的、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，系錨或固定在海床或海灘。根據(jù)主梁與波浪運(yùn)動(dòng)方向的幾何關(guān)系，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為三種不同的模式：（1）終結(jié)型模式……（2）減緩型模式……（3）點(diǎn)吸收模式……§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.6典型的波浪能發(fā)電裝置（1）振蕩水柱式（OWC）

發(fā)展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用裝置。Wells渦輪機(jī)1976年，英國(guó)的威爾斯（Wells）發(fā)明了能在正反向交變氣流作用下始終單向旋轉(zhuǎn)做功的氣輪機(jī)。這是一種具有對(duì)稱翼型葉片的氣輪機(jī)。葉片截面與傳統(tǒng)汽輪機(jī)葉片或螺旋槳葉片不同，而是呈對(duì)稱形狀。當(dāng)波浪起伏往返運(yùn)動(dòng)而使氣室中的氣流來(lái)回流動(dòng)時(shí)，這種對(duì)稱翼葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉(zhuǎn)方向不變，從而特別適合于方向反復(fù)變化的氣流運(yùn)動(dòng)。具有這種葉片的氣輪機(jī)已被廣泛采用。水注上升和下降時(shí)，經(jīng)過(guò)氣輪機(jī)的氣流方向是相反的，氣輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向如果來(lái)回變化，發(fā)電也時(shí)正時(shí)負(fù)……（2）振蕩浮子式（Buoy）圖8.19的Buoy波浪能轉(zhuǎn)換裝置，為瑞典IPSInterprojectServiceAB發(fā)明、美國(guó)AquaEnergy公司開(kāi)發(fā)。包含浮體及連結(jié)其上的加速管。加速管中間的工作圓筒(內(nèi)有工作活塞)，上下兩邊開(kāi)口，可使水暢流無(wú)阻。能量吸收裝置是一對(duì)具彈性的軟管泵，受工作活塞操控。隨著波浪運(yùn)動(dòng)，浮子上下起伏使軟管伸張及松弛，可以壓迫海水經(jīng)止逆閥到中心的渦輪機(jī)及發(fā)電單元。（3）點(diǎn)頭鴨式（Duck）1983年愛(ài)丁堡大學(xué)StephenSalter教授在英國(guó)波浪能研究計(jì)劃資助下開(kāi)發(fā)出Salter’sDuck。鴨子的“胸脯”對(duì)著海浪傳播的方向，隨著海浪的波動(dòng)，像不倒翁一樣不停地?cái)[動(dòng)。搖擺機(jī)構(gòu)帶動(dòng)內(nèi)部的凸輪/鉸鏈機(jī)構(gòu)，改變工作液體的壓力，從而帶動(dòng)工作泵，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（3）點(diǎn)頭鴨式（Duck）為提高能量的吸收效率，“點(diǎn)頭鴨”的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與水粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡相一致，而在長(zhǎng)波中的效率可以通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)控制脊骨的彎曲度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

它可以同時(shí)將波浪的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換，理論上為所有波能轉(zhuǎn)換器中最有效的一種，效率達(dá)到90%以上。往往要在狹長(zhǎng)的浮動(dòng)主梁骨架上，并排（有一定的間隔）放置多個(gè)“鴨子”，甚至可以延伸到幾千米長(zhǎng)?！包c(diǎn)頭鴨”主要作為終結(jié)型裝置，主梁的方向調(diào)整為沿著波前的方向。（4）海蛇式（Pelamis）圖8.11

為蘇格蘭OceanPowerDelivery公司開(kāi)發(fā)的Pelamis（又名海蛇號(hào)）波浪發(fā)電裝置。由一系列圓柱形鋼殼結(jié)構(gòu)單元鉸接而成，外型類似火車。

（4）海蛇式（Pelamis）當(dāng)波浪起浮帶動(dòng)整條裝置時(shí)就會(huì)起動(dòng)鉸接點(diǎn)，其內(nèi)部的液壓圓筒的泵油會(huì)起動(dòng)液壓馬達(dá)經(jīng)過(guò)一個(gè)能量平滑系統(tǒng)。

在每個(gè)鉸接點(diǎn)產(chǎn)生的電力藉由一共同的海底纜線傳輸?shù)桨渡稀Ｑb置長(zhǎng)度約為130米，直徑達(dá)3.5米。

（5）擺式（Pendulum）日本室蘭工業(yè)大學(xué)于1983年在北海道室蘭附近的內(nèi)浦灣建造了一座推擺式波浪能電站，其工作原理如圖8.12所示。5千瓦的試驗(yàn)電站，擺寬為2米，最大擺角±30度。波高1.5米、周期為4秒時(shí)正常輸出約為5千瓦，總效率約為40%。

這是日本的波浪能電站中效率較高的一個(gè)。

圖8.13為以色列S.D.EEnergy公司開(kāi)發(fā)的HydraulicPlatform，通過(guò)浮板的擺動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓產(chǎn)生電力。（5）擺式（Pendulum）（6）收縮坡道式（TAPCHAN）TAPeredCHANnel意思是收縮坡道，有的文獻(xiàn)稱為楔形流道，即逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽。在電站入口處設(shè)置喇叭形聚波器和逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽，當(dāng)波浪進(jìn)入寬闊一端向里傳播時(shí)，波高不斷地被放大，直至波峰溢過(guò)邊墻，轉(zhuǎn)換成勢(shì)能。水流從楔形流道上端流出，進(jìn)入一個(gè)水庫(kù)，然后經(jīng)過(guò)水輪機(jī)返回大海。挪威波能公司（NorwaveA.S.）建造了一種SeawaveSlot-Cone發(fā)電裝置，其核心技術(shù)與TAPCHAN類似。（7）阿基米德海浪發(fā)電裝置（ArchimedesWaveswing）這是一種位于水下的漂浮物，如圖8.16所示，由英國(guó)AWS海洋能源公司設(shè)計(jì)。（8）CETO漂浮系統(tǒng)2008年，英國(guó)TridentEnergy公司在澳大利亞西部弗里曼特爾附近地區(qū)安裝了一種漂浮系統(tǒng)，如圖8.17所示。漂浮物可在海浪作用下向下移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)海水穿過(guò)鋪設(shè)于海床上的管道送上到岸邊。岸上的水輪機(jī)不受海水的腐蝕和破壞。迄今表現(xiàn)相當(dāng)不錯(cuò)，第一個(gè)商業(yè)發(fā)電廠于2009年部署。據(jù)稱一個(gè)面積5公頃的漂浮物陣列可產(chǎn)生50兆瓦的功率。8.7

波浪發(fā)電的發(fā)展1799年，一對(duì)法國(guó)父子申請(qǐng)了世界上第一個(gè)關(guān)于波浪能發(fā)電裝置的專利。1964年，日本海軍士官益田善雄研制成世界上第一個(gè)海浪發(fā)電裝置——航標(biāo)燈，并于1965年率先將該波浪發(fā)電裝置商品化。中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所于1989年在廣東珠海建成了第一座示范實(shí)驗(yàn)波力電站，1996年又建成了一座新的波力實(shí)驗(yàn)電站。我國(guó)首座波力獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)汕尾100千瓦岸式波力電站于2005年，第一次實(shí)海況試驗(yàn)獲得成功。1999年，100kW擺式波浪能電站在青島即墨大官島試運(yùn)行成功。近年來(lái)，我國(guó)積極推進(jìn)新能源開(kāi)發(fā)利用。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，我國(guó)將在山東、海南、廣東各建1座1000千瓦級(jí)的岸式波浪發(fā)電站。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強(qiáng)趙紅月，

機(jī)械工業(yè)出版社“十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認(rèn)證系列規(guī)劃教材第9講氫能與燃料電池§9

氫能與燃料電池關(guān)注的問(wèn)題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應(yīng)該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？有哪些類型？各自有什么特點(diǎn)？燃料電池可以在哪些場(chǎng)合應(yīng)用？海面為何會(huì)突然燒起大火？§9.1氫和氫能概述§9.1.1氫和氫能簡(jiǎn)介氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣為無(wú)色無(wú)味的氣體，密度是空氣的1/14.5。1766年英國(guó)的亨利·卡文迪什發(fā)表《關(guān)于人造空氣的實(shí)驗(yàn)》，詳述了用鋅、鐵、錫與稀酸反應(yīng)制備氫氣的方法和氫氣的性質(zhì)，成為公認(rèn)的發(fā)現(xiàn)氫的人。1777年，法國(guó)化學(xué)家安托萬(wàn)·拉瓦錫通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明水是由氫和氧組成的，把氫稱為“水素”；1785年拉瓦錫根據(jù)這種氣體能夠與氧氣反應(yīng)生成水的性質(zhì)，為其取名為“Hydrogen”，其中Hydro為水，gen即產(chǎn)生。氫是宇宙中最豐富的元素(約占總質(zhì)量的3/4)，在地球上的含量排第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)存在，雖然甲烷、氨和各種烴類中有氫，但主要存在水中。地球上的水約有14億km3，水中約含11%的氫。若把全球水中的氫都提煉出來(lái)，約有15億億(1.5×1017)噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍?！?.1.1氫和氫能簡(jiǎn)介§9.1.2氫能及其利用方式氫能主要是指氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時(shí)釋放的能量。利用氫能的方式很多，包括：－直接作為燃料提供熱能或在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中做功；－制造燃料電池，在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)電能；－利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核能；等等。在所有的氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍以上，是能源工業(yè)中極好的傳熱載體。此外，還能轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時(shí)釋放熱量>140MJ/kg，超過(guò)任何有機(jī)燃料，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫氣燃燒性能好，點(diǎn)燃快，燃點(diǎn)高，混入4%~74%的空氣時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒。氫是最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫，而沒(méi)有其它任何污染環(huán)境的排放物。氮化氫經(jīng)適當(dāng)處理后也不污染環(huán)境，生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。到21世紀(jì)中葉，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一?！?.1.2氫能及其利用方式（2）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。發(fā)生質(zhì)量虧損時(shí)釋放出的能量為E=mc2。4個(gè)氫原子聚變成一個(gè)氦原子，質(zhì)量會(huì)減少0.711%。那么，1克氫聚變?yōu)楹め尫诺哪芰繛?.39×108kJ，相當(dāng)于23噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的熱量?？梢?jiàn)，氫的核聚變能量是十分巨大的。核聚變產(chǎn)生的能量比鈾原子核裂變釋放出來(lái)的能量大若干倍。而且，氫的核聚變過(guò)程中沒(méi)有放射性，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染。一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問(wèn)題將得到根本的解決。§9.1.2氫能及其利用方式（3）氫燃料電池參見(jiàn)后面燃料電池的內(nèi)容。除了作燃料以外，長(zhǎng)期以來(lái)，氫一直是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)的重要原料。氫能可以輸送、儲(chǔ)存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好，基本上沒(méi)有環(huán)境污染，具有無(wú)可比擬的潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值?！?.1.2氫能及其利用方式20世紀(jì)初，比空氣輕很多的氫氣被用于充裝飛行物。由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。§9.1.3氫能的應(yīng)用20世紀(jì)60年代以后，氫－氧燃料電池發(fā)展起來(lái)，又給氫能的利用開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。近年來(lái)，美國(guó)、歐洲、日本研制成功的以液氫為原料的燃料電池電動(dòng)汽車，已進(jìn)入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。如今，氫能在化工、化肥、塑料和冶金行業(yè)中，也作為一種重要的原料而獲得廣泛應(yīng)用?！?.1.3氫能的應(yīng)用氫冶金項(xiàng)目氫燃料電池電動(dòng)汽車§9.2氫的制取氫能，通常指游離的分子氫H2所具有的能量。地球上的氫元素相當(dāng)豐富，但游離態(tài)的很稀少。大氣中的H2只有兩百萬(wàn)分之一的水平。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。從這些物質(zhì)中獲取氫，需要消耗大量的能量。全世界每年生產(chǎn)的氫氣超過(guò)5萬(wàn)億立方米。（1）煤為原料制氫煤制氫的本質(zhì)是用碳置換水中的氫，生成H2和CO2。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是C+2H2O→CO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化(高溫干餾)，隔絕空氣以900~1000℃高溫制取焦碳，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣。每噸煤可制得煤氣300~350m3，也是制取氫氣的原料。二是煤的氣化，在高溫下與水蒸汽或氧氣(空氣)等發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氫氣含量與氣化方法有關(guān)。煤的氣化制氫是一種具有中國(guó)特色的制氫方法。通常做法是將煤放到專門(mén)的設(shè)備中進(jìn)行反應(yīng)，也可以在地下進(jìn)行?！?.2.1化石燃料制氫（2）天然氣制氫天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫方法曾經(jīng)比較普遍，其化學(xué)反應(yīng)為CH4+2H2O→4H2+CO2這種傳統(tǒng)制氫過(guò)程伴有大量的二氧化碳排放。每轉(zhuǎn)化1噸甲烷，要向大氣中排放2.75噸二氧化碳。甲烷(催化)高溫裂解制氫技術(shù)，起于20世紀(jì)中葉，制取高純H2的同時(shí)，還能得到更有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、易儲(chǔ)存的固體碳，而不向大氣排放CO2。該方法制得的氫完全來(lái)自于甲烷本身所含的氫元素，技術(shù)較簡(jiǎn)單，但是制造成本仍然不低?！?.2.1化石燃料制氫（3）重油部分氧化制氫重油是煉油過(guò)程中的殘余物，部分氧化過(guò)程中碳?xì)浠衔锱c氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。要在一定的壓力下進(jìn)行，對(duì)于某些原料及過(guò)程可能還需要采用催化劑。催化部分氧化通常以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分氧化則以重油為原料，溫度1150～1315℃。重油部分氧化制得的氫主要來(lái)自水蒸氣。§9.2.1化石燃料制氫化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境不利。氫氣中的90%是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的。在我國(guó)由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高?！?.2.1化石燃料制氫氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式?！?.2.2水分解制氫趣聞：神秘的海面大火1977.11.9，印度馬得里斯海灣附近海域，颶風(fēng)驟起，激起滔天巨浪。忽然海面上燃起火來(lái)，形成了一片通天火海，照亮周圍幾十里，那場(chǎng)面是相當(dāng)壯觀。人們無(wú)不驚詫：周圍并未見(jiàn)油船經(jīng)過(guò)，那大火是怎么著起來(lái)的，又怎么能在海面持續(xù)20多天？科學(xué)家分析，應(yīng)是200km/h的颶風(fēng)與海面劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生的巨大能量，把水中的氫和氧分離，在摩擦發(fā)熱和電荷作用下，易燃的氫氣在助燃的氧氣中劇烈地燃燒起來(lái)。據(jù)推算，這場(chǎng)大火的能量相當(dāng)200顆氫彈爆炸釋放的能量。1993.8.25晚，渤海深處的大欽島西北海域，也出現(xiàn)過(guò)類似“?；稹爆F(xiàn)象，持續(xù)了大約40分鐘。（1）電解水制氫水的電解過(guò)程就是在導(dǎo)電的水溶液中通入直流電，將水分解成H2

和O2。水的理論分解電壓為1.23V，其反應(yīng)式為：水電解操作簡(jiǎn)便，制得的氫氣純度高，但需消耗電能。理想狀態(tài)，制取1kg氫大約消耗33度電。實(shí)際耗電量要大些。常壓下電解制氫的能量效率一般在70%左右。為提高效率，通常在3.0~5.0MPa的壓力下進(jìn)行。效率達(dá)到75~85%時(shí)，生產(chǎn)1m3氫氣的耗電量為4~5度。§9.2.2水分解制氫（2）高溫水蒸氣分解制氫水直接分解需要2227℃以上的溫度，工程實(shí)現(xiàn)難度很大。為降低分解溫度，可采用多步驟熱化學(xué)反應(yīng)制造氫氣，使反應(yīng)溫度降低到1000℃以下。利用化學(xué)試劑在一組熱循環(huán)反應(yīng)中互為反應(yīng)物和產(chǎn)物，循環(huán)使用，最終只有水分解為氫和氧。其化學(xué)反應(yīng)通式為X為中間媒體，僅參與反應(yīng)，并不消耗，但是因其反應(yīng)呈氣態(tài)，很易和氧氣發(fā)生反應(yīng)而重新生成氧化物。因此，需將它們從產(chǎn)物中分離出來(lái)。一般采用快速冷卻法，使其冷卻成固體。整個(gè)過(guò)程僅僅消耗水和一定的熱量。§9.2.2水分解制氫（3）等離子體制造氫氣過(guò)程用電場(chǎng)電弧能將水加熱到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH和水，其中H、H2的含量可達(dá)到50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須進(jìn)行淬火，使氫不再和氧結(jié)合。該過(guò)程能耗很高，因而制氫成本很高?！?.2.2水分解制氫我國(guó)的氫氣生產(chǎn)，除了用化石燃料以外，其余的主要都通過(guò)水電解法生產(chǎn)。水電解制造氫氣不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。主要適合水電、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能以及核能比較豐富的地區(qū)。（1）生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)原料壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行反應(yīng)制得含氫的混合燃料氣。其中的碳?xì)浠衔镌倥c水蒸氣發(fā)生催化重整反應(yīng)，生成H2

和CO2（參見(jiàn)天然氣制氫）。生物質(zhì)超臨界水氣化是正在研究的一種制氫新技術(shù)。生物質(zhì)在超臨界水中進(jìn)行催化氣化，氣化率可達(dá)100%，氣體產(chǎn)物中氫的體積含量可達(dá)50%，反應(yīng)不生成焦油、木炭等副產(chǎn)品，無(wú)二次污染，因此有很好的發(fā)展前景。生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物制氫等不同的技術(shù)手段。§9.2.3生物制氫（2）微生物制氫是在常溫常壓下利用微生物進(jìn)行酶催化反應(yīng)制得氫氣。用于制氫的微生物有兩大類：－光合細(xì)菌或藻類，

在光照作用下使有機(jī)酸分解出H2和CO2；－厭氧菌，利用碳水化合物及蛋白質(zhì)等，

發(fā)酵產(chǎn)生H2、CO2和有機(jī)酸。江河湖海中的某些藻類、細(xì)菌，像一個(gè)生物反應(yīng)器，用水做原料，在太陽(yáng)光的照射下連續(xù)地釋放出氫氣?！?.2.3生物制氫（1）間接制氫太陽(yáng)能間接制氫法主要包括太陽(yáng)能發(fā)電和電解水制氫。目前已無(wú)技術(shù)困難，需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。太陽(yáng)能制氫是未來(lái)規(guī)模化制氫方法中最具有吸引力且最具現(xiàn)實(shí)意義的一條途徑。§9.2.4太陽(yáng)能制氫（2）直接制氫太陽(yáng)能直接制氫法有兩類：熱分解法，用太陽(yáng)能的高熱量直接裂解水，得到氫和氧。不過(guò)須將水加熱至3000℃以上，反應(yīng)才有實(shí)際應(yīng)用的可能，困難較大。光分解法，光量子可使水和其他含氫化合物分子中氫鍵斷裂，制氫途徑主要有光催化法和光電解法等。－光催化過(guò)程是指含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下催化劑促使水分解制得氫氣，效率很低，一般不超過(guò)10%。－光電解制氫，利用半導(dǎo)體電極制成太陽(yáng)能光電化學(xué)電池，以水為原料，在太陽(yáng)光照下制造氫氣。§9.2.4太陽(yáng)能制氫§9.2.5制氫方式總結(jié)以石油、天然氣和煤為主要原料制取氫氣的比例約為90%。在我國(guó)，由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高，其余主要是通過(guò)水電解產(chǎn)生的?！?.3氫的儲(chǔ)存氫能的儲(chǔ)存很關(guān)鍵，是目前氫能開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)障礙。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫的密度是空氣的1/14.5，水的萬(wàn)分之一。在-252.7℃的低溫下可變?yōu)橐后w，密度也只有70kg/m3，相當(dāng)于水的1/15。氫氣很難高密度儲(chǔ)存。

而且，氫還是易燃、易爆的高能燃料。安全性當(dāng)然是第一重要的要求，不過(guò)因?yàn)閮?chǔ)氫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)充分考慮安全性，并且在使用中能夠滿足安全要求，人們反而不經(jīng)常單獨(dú)提出了。單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度，即儲(chǔ)氫質(zhì)量與整個(gè)儲(chǔ)氫單元（含容器、存儲(chǔ)介質(zhì)材料、閥及氫氣等）的質(zhì)量之比，是衡量氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是否先進(jìn)的主要指標(biāo)。例如，一個(gè)100kg的鋼瓶（含閥及內(nèi)部氫氣質(zhì)量）儲(chǔ)有1kg的氫氣，單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為1%?！?.3.1對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求儲(chǔ)氫設(shè)備使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氫氣的時(shí)間、使用的環(huán)境溫度等?？梢韵裉烊粴庖粯佑镁薮蟮乃芊鈨?chǔ)罐低壓儲(chǔ)存，不過(guò)因氫氣密度太低，只適合大規(guī)模儲(chǔ)存氣體時(shí)使用，應(yīng)用不多。氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫是最普通和最直接的儲(chǔ)氫方式，一般將氫氣壓縮到15~40MPa高壓，裝入鋼瓶中儲(chǔ)存和運(yùn)輸。目前，我國(guó)常用40升鋼瓶以15MPa高壓儲(chǔ)存氫氣。只能儲(chǔ)存6m3標(biāo)準(zhǔn)氫氣，重約1斤，還不到高壓鋼瓶重量的1%。§9.3.2氫氣的儲(chǔ)存新型復(fù)合高壓氫氣瓶(耐壓35MPa)儲(chǔ)氫密度可達(dá)2%。內(nèi)胎為鋁合金，外繞浸樹(shù)脂的高強(qiáng)度炭纖維。目前75MPa高壓儲(chǔ)氫瓶已上市，儲(chǔ)氫密度可達(dá)3%以上。正研制100MPa的。我國(guó)現(xiàn)在可以自行制造35MPa的高壓儲(chǔ)氫容器。高壓儲(chǔ)氫動(dòng)態(tài)響應(yīng)最好，能瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料供應(yīng)；也能瞬間關(guān)閉閥門(mén)，停止供氣。實(shí)際使用最廣泛。

不過(guò)高壓帶來(lái)安全隱患。氫氣在-252.7℃低溫下可以變?yōu)橐后w，體積大大縮小。液體的氫可以儲(chǔ)存在絕熱的低溫容器中。液氫的單位體積含能量很高，常壓下密度為氫氣的845倍，體積能量密度比高壓氣態(tài)儲(chǔ)存高好幾倍。氫的沸點(diǎn)很低，氣化潛熱小，容器內(nèi)外存在巨大溫差，稍有熱量從外界滲入容器，就可能迅速沸騰氣化。液氫的理論體積密度只有70kg/m3，約為水的1/15?？紤]容器和附件的體積，液氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫密度還不到40kg/m3。液氫儲(chǔ)運(yùn)的最大優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高，目前可做到5%以上，存在的問(wèn)題是液氫蒸發(fā)損失與成本問(wèn)題。§9.3.3液氫的儲(chǔ)存大的液氫儲(chǔ)罐存在熱分層問(wèn)題。儲(chǔ)罐底部液體因承受壓力而沸點(diǎn)略高，上部由于少量揮發(fā)而始終保持極低溫度。靜置后，液體形成下熱上冷的兩層，顯然是不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動(dòng)就會(huì)翻動(dòng)。如果略熱而蒸氣壓較高的底層翻到上部，就會(huì)發(fā)生液氫爆沸，產(chǎn)生氫氣，體積膨脹，使儲(chǔ)罐爆破。因此，大的儲(chǔ)罐都備有緩慢的攪拌裝置以阻止熱分層?！?.3.3液氫的儲(chǔ)存液氫儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，一般如圖，最理想的形狀是球形。§9.3.3液氫的儲(chǔ)存某些金屬具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，能大量“吸收”氫氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物，氫就以固體形式存儲(chǔ)起來(lái)。需要用氫時(shí)，可將這些金屬氫化物加熱，使其分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來(lái)。能“吸收”氫氣的金屬，稱為儲(chǔ)氫合金或氫化金屬。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有鋰（Li）、鎂（Mg）和鈦（Ti）合金。金屬氫化物的儲(chǔ)氫容量較大，相同溫度、壓力，體積儲(chǔ)氫密度是氫氣的1000倍，與液氫相當(dāng)，不過(guò)質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低。金屬氫化物的安全性很好，遇槍擊也不爆炸。由于儲(chǔ)存容量大、儲(chǔ)運(yùn)安全方便等優(yōu)點(diǎn)，金屬氫化物儲(chǔ)氫可能最有發(fā)展前景?！?.3.4固體金屬氫化物儲(chǔ)存（1）有機(jī)物儲(chǔ)氫已成為一項(xiàng)有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫技術(shù)。有機(jī)液體化合物儲(chǔ)氫劑主要是苯和甲苯，與氫反應(yīng)生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷（理論貯氫量為7.19%和6.18%)，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過(guò)催化脫氫反應(yīng)又可產(chǎn)氫以供使用。此方式有儲(chǔ)氫量大、能量密度高、儲(chǔ)存設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且還能多次循環(huán)利用，壽命長(zhǎng)達(dá)20年。不過(guò)這種儲(chǔ)氫方式加氫時(shí)放熱量大、脫氫時(shí)能耗高，脫放氫時(shí)的溫度在1000℃左右，在很大程度上限制了它的應(yīng)用?！?.3.5研究中的新儲(chǔ)氫方法（2）地下壓縮儲(chǔ)氫是一種長(zhǎng)期大量?jī)?chǔ)氫的主要方法。儲(chǔ)氫規(guī)?？蛇_(dá)百萬(wàn)立方米以上。多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴(kuò)散的介質(zhì)。但地下儲(chǔ)存的氫氣大約有50%左右會(huì)滯留在巖洞中，難于被釋放出來(lái)。德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)都有相關(guān)的儲(chǔ)氫實(shí)踐?！?.3.5研究中的新儲(chǔ)氫方法（3）碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料一直為人們所關(guān)注。主要是高比表面積活性炭等。特殊加工后的高比表面積活性炭，在2-4MPa和超低溫下，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度可達(dá)5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)成為目前人們研究最多的碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料，具有儲(chǔ)氫量大、釋氫速度快、常溫下釋氫等優(yōu)點(diǎn)，但工業(yè)化應(yīng)用還不成熟。此外，配位氫化物儲(chǔ)氫和水合物儲(chǔ)氫近年來(lái)也得到廣泛研究?！?.4燃料電池概述發(fā)現(xiàn)故事：1938年，德國(guó)的斯孔貝恩教授發(fā)現(xiàn)，在電解液里的氫氣和氧氣中分別插入一根鉑電極，兩個(gè)電極之間會(huì)產(chǎn)生電壓，這就是最早發(fā)現(xiàn)的燃料電池原理。1839年，英國(guó)的格羅夫在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證燃料電池現(xiàn)象。將鉑金電極放入試管，在不同的試管里分別充滿氫氣和氧氣，再把多個(gè)這樣的裝置串聯(lián)起來(lái)將試管的開(kāi)口浸入稀硫酸溶液，在兩端的電極之間形成了較高的電壓。1842年格羅夫制成第一個(gè)真正意義上的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池是一種直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。不經(jīng)過(guò)燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔?。和化學(xué)電池不同，它工作時(shí)需要連續(xù)地從外部供給反應(yīng)物。燃料電池利用的水電解的逆反應(yīng)，即氫元素和氧元素合成水并輸出電能?！?.4.1燃料電池的基本原理燃料電池由陽(yáng)極、陰極和夾在中間的電解質(zhì)及外接電路組成。工作時(shí)，一般向陽(yáng)極供燃料(氫)，向陰極供氧化劑(氧)。氫在陽(yáng)極分解成氫離子H+和電子e-。氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極。陰極的氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達(dá)陰極的電子形成水。電子在外部電路從陽(yáng)極向陰極移動(dòng)的過(guò)程中形成電流，接在外部電路中的用電負(fù)載即可因此獲得電能。當(dāng)源源不斷地從外部供給燃料和氧化劑時(shí)，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣?！?.4.1燃料電池的基本原理§9.4.1燃料電池的基本原理氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下陽(yáng)極： 陰極：

總反應(yīng)： 為加速電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池的電極上往往都有催化劑。催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質(zhì)和電極之間的接觸截面。這種包含催化劑的多孔電極稱為氣體擴(kuò)散電極，是燃料電池的關(guān)鍵部位。對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)，需要有電解質(zhì)保持材料，即電解質(zhì)膜。作用是分隔氧化劑和還原劑，并同時(shí)傳導(dǎo)離子。固態(tài)電解質(zhì)直接以電解質(zhì)膜的形式出現(xiàn)。外電路包括集電器（極板）和負(fù)載。雙極板具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體的作用。§9.4.1燃料電池的基本原理由一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極和相關(guān)的電解質(zhì)、燃料、空氣通路組成的最小電池單元稱為單體電池；多個(gè)單體電池重疊連接形成的整體，稱為電堆。實(shí)用的燃料電池均由電堆組成。燃料電池就像積木一樣，可以根據(jù)功率要求靈活組合，容量小到為手機(jī)供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論。§9.4.1燃料電池的基本原理燃料電池系統(tǒng)，除燃料電池本體(發(fā)電系統(tǒng))外，還有一些外圍裝置，用于燃料重整供應(yīng)、氧氣供應(yīng)、水管理、熱管理、逆變、控制、安全等?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（1）燃料重整供應(yīng)系統(tǒng)，將外部供給的燃料轉(zhuǎn)化為以氫為主要成分的燃料。直接以氫為燃料，供應(yīng)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。（2）氧氣供給系統(tǒng)，作用是提供反應(yīng)所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（3）水管理系統(tǒng)，可將陰極生成的水及時(shí)帶走，以免造成燃料電池失效。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進(jìn)行傳導(dǎo)的，需要有水參與，而且水少了還會(huì)影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，進(jìn)而影響電池的性能。（4）熱管理系統(tǒng)，作用是將電池產(chǎn)生的熱量帶走，避免因溫度過(guò)高而燒壞電解質(zhì)膜。外電路接通時(shí)，燃料電池會(huì)因內(nèi)電阻上的功耗而發(fā)熱（與輸出的發(fā)電量大體相當(dāng)）。（5）直流－交流逆變系統(tǒng)（6）控制系統(tǒng)，控制燃料電池發(fā)電裝置啟動(dòng)和停止、接通或斷開(kāi)負(fù)載，往往還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)工況、傳輸數(shù)據(jù)。（7）安全系統(tǒng)，主要由氫氣探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理器以及滅火設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)防火、防爆等安全措施。上面所說(shuō)的各個(gè)部分，是大容量燃料電池可能具有的結(jié)構(gòu)。不同類型、容量和適用場(chǎng)合，有些部分可能被簡(jiǎn)化甚至取消。例如微型燃料電池就沒(méi)有獨(dú)立的控制和安全系統(tǒng)。手機(jī)和筆記本電腦的燃料電池，就不需要逆變裝置?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成與干電池與蓄電池不同，燃料電池不是能量?jī)?chǔ)存裝置，而是能量轉(zhuǎn)化裝置?！枰粩喙?yīng)燃料和氧化劑，才能維持連續(xù)輸出，

供應(yīng)中斷，發(fā)電過(guò)程就結(jié)束?！梢赃B續(xù)地對(duì)自身供給燃料并不斷排出生成物，

只要供應(yīng)不斷，就可連續(xù)輸出電力。燃料電池具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：－能量轉(zhuǎn)換效率高。－污染物排放少。－能量轉(zhuǎn)換主裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)備可靠，噪音極小。－資源廣泛，建設(shè)靈活?！?.4.3燃料電池發(fā)電的特點(diǎn)(1)成本因素高成本是制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。燃料電池成本中占比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。其中主要涉及三個(gè)關(guān)鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板?！?.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(2)燃料來(lái)源傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對(duì)大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學(xué)制氫和太陽(yáng)光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應(yīng)用。從成本角度來(lái)看，在燃料電池推廣初期，應(yīng)以分散式制氫為主，可進(jìn)一步控制成本，且使用便利。但隨著未來(lái)燃料電池規(guī)?；l(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步突出。(3)配套設(shè)施燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設(shè)施的缺失，即加氫站的覆蓋率過(guò)小，而其高昂的建設(shè)成本也使得加氫站的建設(shè)只能作為試驗(yàn)性經(jīng)營(yíng)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣的要求。§9.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(4)儲(chǔ)存與運(yùn)輸當(dāng)前氫氣主要以三種形態(tài)儲(chǔ)存和運(yùn)輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內(nèi)，高壓罐儲(chǔ)氫仍是主要?dú)錃鈨?chǔ)存運(yùn)輸手段。但從長(zhǎng)期來(lái)看，更需要具備高儲(chǔ)氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長(zhǎng)壽命和低成本的儲(chǔ)氫材料。因此，輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料等低壓或常壓儲(chǔ)氫材料將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。§9.5燃料電池的分類

電池類型堿性(AFC)磷酸型(PAFC)熔融碳酸鹽型(MCFC)固體電解質(zhì)型(SOFC)固體高分子型(PEFC/PEMFC)直接甲醇型(DMFC)工作溫度/℃60～80約100600～700800～1000約100約100電解質(zhì)KOH磷酸溶液熔融碳酸鹽固體氧化物全氟磺酸膜全氟磺酸膜反應(yīng)離子OH-H+O2-H+H+可用燃料純氫天然氣、甲醇天然氣、甲醇、煤天然氣、甲醇、煤氫、天然氣、甲醇甲醇適用領(lǐng)域移動(dòng)電源分散電源分散電源分散電源移動(dòng)電源、分散電源移動(dòng)電源污染性—CO中毒無(wú)無(wú)CO中毒CO中毒§9.5燃料電池的類型（1）堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)，以高純度氫氣為燃料，以純氧氣作為氧化劑，工作溫度為60~80℃。AFC是燃料電池中發(fā)展最早的一種。在所有的應(yīng)用領(lǐng)域中，AFC燃料電池都有競(jìng)爭(zhēng)力。其低溫快速起動(dòng)特性，在很多場(chǎng)合更具優(yōu)勢(shì)。但是由于需要純H2和O2作為燃料和氧化劑，氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應(yīng)用?！?.5燃料電池的類型（2）磷酸型燃料電池（PAFC）以磷酸水溶液為電解質(zhì)，以天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃料，以空氣為氧化劑，一般要用鉑金作催化劑。工作溫度200℃，發(fā)電效率30%~40%，用昂貴的白金作催化劑，燃料中CO易引起催化劑中毒，因此對(duì)燃料要求較高。對(duì)燃料氣和空氣中的CO2有耐受力，能適應(yīng)多種工作環(huán)境。1967年美國(guó)首先開(kāi)發(fā)出PAFC。1970s中期，開(kāi)始取代堿性燃料電池，成為燃料電池的主要形式之一?！?.5燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉等碳酸鹽為電解質(zhì)；以混有CO2的O2為氧化劑；可用天然氣、甲醇、煤等原料的重整氣(含H2和CO2)為燃料。電極采用鎳。陽(yáng)極生成CO2而陰極消耗，電池中需要CO2

的循環(huán)系統(tǒng)。工作溫度為600～700℃，不需要采用貴金屬作為催化劑。工作過(guò)程中放出的高溫余熱可回收，發(fā)電效率45%~60%?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，MCFC具有較好的應(yīng)用前景。不過(guò)，高溫條件下電解質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)電池材料有嚴(yán)格要求；而且廢熱回收裝置又大又重，MCFC只適用于大功率發(fā)電廠。多年來(lái)，一直是世界各國(guó)燃料電池研究的重點(diǎn)。美國(guó)FuelCellEnergy公司的DFC3000（2.8MW）熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)電模塊已經(jīng)用于韓國(guó)京畿道綠色能源公園