第三章+氫能和燃料電池.ppt

1、1,第三章 氫能和燃料電池 Hydrogen Energy and Fuel Cell,北京科技大學熱能工程系 Thermal Energy Engineering Department, The University of Science and Technology Beijing,2,1. 概論 13. 燃料電池2. 氫簡介 14. 氫內(nèi)燃機3. 水制氫 15. 燃料電池和交通工具 4. 化石能源制氫 16. 家庭及微型燃料電池5. 生物質(zhì)制氫 17. 氫的安全6. 其他制氫方法 18. 氫能與材料7. 氫的純化 19. 迎接氫能經(jīng)濟時代8. 太陽能-氫能系統(tǒng)9. 氫的儲存10. 碳材料

2、儲氫11. 氫的輸運與加注12. 核聚變,內(nèi)容提要,3,3.1 概論（Introduction）,石油、天然氣、煤炭使用時間有限； 汽車、火車、輪船、飛機的大量普及。,3.1.1 化石能源的短缺,我國一次能源消費結(jié)構(gòu),3.1.2 環(huán)境的要求,3.1.3 可持續(xù)發(fā)展的壓力,能源安全,2000年石油進口依存度達31% 其中70%的進口來自中東，經(jīng)馬六甲海峽，臺灣海峽。 美國與伊拉克，沙特,4,3.1 概論（Introduction）,3.1.4 氫能是能源歷史的必然,3.1.5 氫能的利用方式,直接燃燒-火箭推進劑，內(nèi)燃機等 燃料電池發(fā)電-水熱電聯(lián)供系統(tǒng) 核聚變-氫彈，300美元/1kg氘，1.2

3、萬美元/1kg濃縮鈾,能量巨大，聚變能可用幾億年。,三種方式,長遠觀點：太陽能與核能必將是人類社會的最終能源！,5,3.1 概論（Introduction）,3.1.5 氫能是能源歷史的必然,氫成為永恒的能源的原因： 氫的資源豐富-水是地球的主要資源，地球70%被水覆蓋 氫來源的豐富性-也可以從化石能源以及生物質(zhì)能 氫是最環(huán)保的能源-排放物只有水 氫氣具有可儲存性-是區(qū)別于電和熱的主要標志 氫的可再生性-生成水可以繼續(xù)由水再產(chǎn)生 氫是和平的能源-各個國家都有豐富的水 氫是安全的能源-密度小，擴散后迅速升空,6,注：色塊區(qū)域從下往上分別為歐洲、北美、太平洋經(jīng)合組織、中國和其他地區(qū) 資料來源：Pr

4、ospects for Hydrogen and Fuel Cells, IEA,7,3.2 氫簡介,3.2.1 氫的發(fā)現(xiàn)過程,氫的原始形成：宇宙大爆炸理論，爆炸產(chǎn)生一種合力，后分解為重力、電磁力和核力，形成質(zhì)子，然后與中子結(jié)合成氫的同位素等，最后，質(zhì)子與電子結(jié)合形成氫原子。,氫的發(fā)現(xiàn)史：1766年，亨利.卡文迪什在自己家中建立實驗室，測出水銀上方的易燃氣體，并正確描述了氫的性質(zhì)。 1931年，哈羅德.尤里發(fā)現(xiàn)氘。 后來英美化學家又發(fā)現(xiàn)了氚。,3.2.2 氫的分布,地球上的氫：氫在地殼約是第十豐富的元素，按質(zhì)量計，占地殼的1%。,空間中的氫：氫在地球大氣內(nèi)層占50%，大氣外層占70%。,人體中

5、的氫：氧、碳、氫、氮、鈣、磷分別占61%，23%，10%，2.6%，1.4%，1.1%。,8,3.2 氫簡介,3.2.2 氫的性質(zhì),氫的原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)：氫的電子組態(tài)1S1,極易形成氫鍵。 兩個氫原子由共價鍵連接形成氫分子。,氫的物理性質(zhì)：原子量1.008，分子量2.016，無色無味，極難溶于水和也難液化。H-H鍵長0.074 m，鍵能436kJ/mol，擴散系數(shù)（295K）H2-O2 0.8 cm2/s，,氫的化學性質(zhì)： 與金屬的反應，H2+2Na2NaH 加成反應， H2+CO-CH3OH 原子氫與某些物質(zhì)的反應，3H+AsAsH3,9,3.2 氫簡介,3.2.3 氫鍵,氫鍵的形成： 當

6、一個水分子的氫原子接近另一個水分子的氧原子時，形成所謂的氫鍵，這種鍵比一般的鍵弱1/20，但作用很大。,作用：脫氧核糖核酸分子才能進行精確編碼，而使信息世代相傳，氫鍵是最微妙的生命活動的基礎。,3.2.4 正氫和仲氫,正氫和仲氫是氫的兩種同素異形體。 當兩個原子都順時針旋轉(zhuǎn)時，他們的自旋方向平行，即為正氫 當兩個原子核自旋方向反向平行時，則為仲氫。 組成： 通常為二者的混合物，存在化學平衡。零攝氏度度以上正氫占75%（正：仲=3：1），零度以下二者比例隨溫度變化減小而增大。,10,3.2 氫簡介,3.2.5 氫的形態(tài),液氫的三種液化方法：節(jié)流氫液化循環(huán)、帶膨脹機的氫液化循環(huán)和氦制冷氫液化循環(huán)。

7、其中，帶膨脹機的循環(huán)效率最高。 凝膠液氫：為提高液氫的密度，加入膠凝劑，成為凝膠液氫?？梢暂^少液氫的蒸發(fā)損失。 泥氫：液氫和固體氫的混合物。 固體氫：液氫進一步冷卻到-259.2 ，變成固體，當在很高的壓力下，半導體、絕緣體以及固體氫可成為金屬態(tài)。用途：冷卻器、高能燃料、高能炸藥。,11,12,表3膠氫和液氫的表觀粘度（3.25 mm管）3,好處： 1、粘度增加，降低了泄漏帶來的危險 2、減少蒸發(fā)損失。液氫凝膠化以后，蒸發(fā)速率僅為液氫的25 3、增大密度 4、減少液面晃動 5、提高比沖 ：單位重量（力）流量的推進劑產(chǎn)生的推力，又稱比推力,13,3.2 氫簡介,3.2.6 氫的制備,實驗室制備：

8、采用標準電極電勢為負值的金屬與酸反應生成氫。,3.2.7 氫的同位素,同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核所構(gòu)成的不同原子總稱。 氫三種同位素：氫1H、氘2H(D)和氚3H(T) 。 氫同位素的用途 1）熱核反應的原料，D+T-He+中子 2）利用氫同位素測定地質(zhì)的歷史，利用氧、氫同位素測定古溫度，已成為陳跡環(huán)境地球化學研究的前沿課題。 3）同位素示蹤 氘和氚作示蹤劑，研究化學過程和生物化學過程的微觀過程。,14,（K、Ca、Na、Mg、Al）嫁給那美女 （Zn、Fe、Sn、Pb、H）心體需先清 （Cu、Hg、Ag、Pt、Au）統(tǒng)共一百斤,15,3.2 氫簡介,3.2.7 分數(shù)氫hydrin

9、os,分數(shù)氫的提出：普通氫能利用和氫核聚變之間的夾層。 分數(shù)氫理論描述了相干作用下氫原子能級可由基態(tài)向分數(shù)量子能級轉(zhuǎn)化的可能性，其釋放的能量可超出氫氣燃燒放出能量的100倍。 此理論認為電子可由基態(tài)躍遷至更低的能級-分數(shù)量子能級，與公認的波爾原子模型和量子理論相矛盾。 分數(shù)氫的獲得：通過被稱為能穴的元素或離子間的相干反應 ，實現(xiàn)普通氫向分數(shù)氫的轉(zhuǎn)化。 分數(shù)氫理論的展望： ）目前還被科學界認為是怪論。 ）許多企業(yè)和集團投入了贊助研究，Pacifiorp，NASA等。,16,3. 水制氫,3.3.1 水電解制氫,水電解制氫目前占總產(chǎn)量的，產(chǎn)品純度高，操作簡便。 水電解制氫的原理： 4e-1+4H2

10、O-2H2+4OH-1 4OH-1-O2+2H2O+4e-1 電解定律： e化學當量，法拉第常熟，電流，通電時間 G化學反應物生成的量。 電解電壓： n-反應物質(zhì)的當量數(shù)，或電極反應中電子得失的數(shù)目 E電動勢 F法拉第常熟,17,3. 水制氫,3.3.1 水電解制氫,極化現(xiàn)象： 實際生產(chǎn)中電解池的電極過程是不可逆的，電極電位值將偏離平衡電位值，這種現(xiàn)象稱為電極的極化現(xiàn)象。 濃差極化： 由于電極過程某些步驟地相對遲緩，使電極表面附近的反應物濃度不同于電解池中溶液的濃度。 活化極化： 由于參加電極反應的某些粒子缺少足夠的能量（活化能）來完成電子的轉(zhuǎn)移或狀態(tài)的變化，結(jié)果在陰極上放電的離子數(shù)不足而電子

11、過剩，陰極電位變??；在陽極上放電的離子也相應減少而電子不足，陽極電位變大。因活化極化而產(chǎn)生的超點位叫活化超電位。 水電解制氫效率，每立方氫氣電耗4.5-5.5kW.h,18,3. 水制氫,3.3. 重水電解,水電解制氘： D2O-D2+1/2O2 做為核聚變的材料，例如氫彈等。,3.3. 煤水電制氫,將煤粉加入酸性電解槽中的陽極區(qū)域，以消除極化效應，反應產(chǎn)物為CO2?？梢允鼓芎慕档?.4kW.h生產(chǎn)一立方天然氣。,3.3. 熱化學制氫,水直接加熱到很高溫度，例如 以上，部分水可以離解為氫和氧。,19,方法：按熱化學循環(huán)制氫過程所涉及的物料來分 1）氧化物體系： 氫生成 3MeO+4H2O-Me

12、3O4+H2 氧生成 Me3O4-3MeO+1/2O2 金屬Me可以是Mn,Fe, Co等。 2）鹵化物體系（著名的UT-3循環(huán)） 金屬鹵化物 3MeX2+4H2O-Me3O4+6HX+H2 金屬Me可以是Mn,Fe等。X- Cl, Br, I 鹵素生成 Me3O4+8HX-3MeX2+4H2O+X2 氧生成 MeO+X2-MeX2+1/2O2 水解 MeX2+H2O-MeO+2HX 3）含硫體系： 本生（Bunsen）反應 SO2+I2+2H2O-2HI+H2SO4 硫酸分解反應 H2SO4-H2O+SO2+1/2O2 氫碘酸分解反應 2HI-H2+I2 可連續(xù)操作,閉路循環(huán),效率可達52%

13、,成本低,3. 水制氫,3.3.5 熱化學制氫,20,3. 水制氫,3.3.5熱化學制氫,）雜化體系：硫酸溴雜化過程，硫酸雜化過程，烴雜化過程，金屬-金屬鹵化物雜化過程。 CH4+H2O-CO+3H2 熱化學制氫的展望 需要解決的問題 1）開發(fā)新的熱源-熱化學制氫過程需要消耗水和熱，熱源是關鍵。 核能-今后最有希望的熱源；太陽能可產(chǎn)生600-800 的高壓過熱蒸汽。 2）熱化學制氫面臨的技術挑戰(zhàn) 反應過程的控制，以及中間產(chǎn)物的分離。 3）熱化學制氫的材料難題 耐酸以及高溫材料的研究 目前熱化學制氫技術還很不成熟，離商業(yè)化還很遙遠。任何一項技術的重大突破都會改寫此技術的歷史。,21,3. 水制氫

14、,3.3.6 高溫熱水解制氫,高溫熱水解反應原理： H2O-1/2O2+H2 H=241 kJ/mol 高溫熱水解制氫的難題和展望 1）熱源，需要2000 以上，只有太陽能與核能解決。 2）材料問題，金屬材料幾乎不能勝任，只希望于非金屬材料，碳材料，陶瓷材料等。,22,3.4 化石能源制氫,3.4.1 煤制氫,以煤為原料制氫含氫氣體的方法主要有兩種：煤的焦化（高溫干餾）、煤的氣化（氣化劑為水蒸氣或空氣）。 傳統(tǒng)煤制氫技術（煤氣化為主）： 包括三個過程，造氣反應、水煤氣變換反應、氫的提純和壓縮 C+H2O-CO+H2 CO+H2O-CO2+H2 工藝流程：,23,3.4 化石能源制氫,3.4.1

15、 煤制氫,我國煤炭氣化制氫現(xiàn)狀 1）常用的反應器，常壓固定床水煤氣爐、魯奇加壓固定床氣化爐和Texaco加壓氣流床氣化爐。 2）煤炭地下氣化生產(chǎn)原料氣,3.4.2 氣體原料制氫,1）天然氣水蒸氣重整制氫 CH4+H2O-CO+3H2 CO+H2O-CO2+H2 需要吸收大量的熱，需要兩段轉(zhuǎn)化才能完成轉(zhuǎn)化甲烷。,24,3.4 化石能源制氫,3.4.2 氣體原料制氫,2）天然氣部分氧化重整制氫(直接部分氧化和催化氧化) CH4+1/2O2-CO+2H2+35.5 kJ 反應放出少量的熱，但反應條件較苛刻且需要空分設備來制氧。 3) 天然氣催化熱裂解制造氫氣 CH4-C+2H2 新方法： 4）新催化

16、劑的開發(fā)，沸石和鉬催化劑 6CH4-苯+9H2,25,3.4 化石能源制氫,3.4.3 液體化石原料制氫,1）甲醇裂解-變壓吸附制氫技術 CH3OH+H2O-CO2+3H2 CH3OH-CO+2H2 反應放出少量的熱，但反應條件較苛刻且需要空分設備來制氧。 2) 甲醇重整 典型的催化劑是Cu-ZnO-Al2O3 以輕質(zhì)油為原料制氫 水蒸氣催化氧化制氫 4） 以重油為原料部分氧化制氫,26,27,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5.1 概述,生物質(zhì)的利用主要有微生物轉(zhuǎn)化和熱化工轉(zhuǎn)化兩類，微生物主要用來生產(chǎn)甲醇，乙醇及氫氣，通常是在常壓常溫下，通過酶的催化總用，以水為原料，利用光能制氫的方法，是最有前途的

17、方法。,28,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5.2 微生物轉(zhuǎn)化技術,1）生物制氫的發(fā)展歷史 100年前，發(fā)現(xiàn)微生物的作用下，以酸鈣的發(fā)酵可以水中制取氫1931年，發(fā)現(xiàn)氫酶（hydrogenase），可催化氫的可逆氧化還原反應。 1937年觀察到光合細菌可在黑暗中放氫。 1942年，柵藻能在光合作用下放氫。 1949年，深紅紅螺菌，可以利用紫色光合制氫。 目前發(fā)現(xiàn)的制氫細菌大約100種。 2) 生物制氫方法比較 兩類：光解產(chǎn)氫生物（綠藻、藍細菌和光合細菌）和發(fā)酵產(chǎn)氫細菌。 藍細菌和光合細菌產(chǎn)氫能力是綠藻的，無研發(fā)價值，而綠藻產(chǎn)氫效率又很低，研發(fā)緩慢。 發(fā)酵法具有三大優(yōu)點：a.產(chǎn)氫能力和菌種生長速度高于

18、光合產(chǎn)氫菌種。 b.無需光源，操作管理簡便。 c.原來來源廣，成本低。,29,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5.2 微生物轉(zhuǎn)化技術,3）生物制氫技術的現(xiàn)狀,4）生物制氫技術的前景 我國目前已經(jīng)在哈爾濱工業(yè)大學建立中試規(guī)模的生物發(fā)酵制氫，日產(chǎn)600m3 生物制氫是最環(huán)保，是將來制氫技術發(fā)展的一個重要方向。,30,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5. 熱化工轉(zhuǎn)化技術,）固體燃料的氣化 利用空氣中的氧氣或與水蒸氣一起將固體燃料（生物質(zhì)）中的碳氧化成可燃氣體的過程。這一過程主要通過煤氣發(fā)生爐來進行。 2）生物質(zhì)熱解 生物質(zhì)熱解過程是指在隔絕空氣或只通入少量空氣的條件下使生物質(zhì)受熱而發(fā)生分解的過程，產(chǎn)物主要有：氣體、

19、熱解油和炭。 3）熱化工轉(zhuǎn)化的優(yōu)缺點 a.過程為化學工程過程，有規(guī)模才有效益 b.不受外界條件干擾，與生物過程相比，過程容易控制，不象生物過程那樣“嬌氣”。,31,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5.4 國際生物質(zhì)利用簡況,）生物質(zhì)的氣化 生產(chǎn)甲醇以及產(chǎn)生蒸汽 a.奧地利約90個1MW級的區(qū)域供熱站， b.瑞典地區(qū)，26%的供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)由生物質(zhì)來供應。 c.美國處領先地位，有350多座生物質(zhì)發(fā)電站，裝機容量在7000MW。 2）生物質(zhì)制取液體燃料，甲醇、乙醇、液化油等 a.加拿大用木質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇17萬t/a， b.比利時用甘蔗生產(chǎn)乙醇3.2萬t/a。 c.美國2000年，乙醇汽油已經(jīng)達到600萬t

20、。 d.英國、荷蘭、德國、奧地利、泰國、南非均已制定規(guī)劃，積極發(fā)展燃料乙醇工業(yè)。,32,兩條腿走路，農(nóng)村解決農(nóng)民的燃料問題；國民經(jīng)濟，發(fā)展大生物質(zhì)能。 ）農(nóng)村的生物質(zhì)利用 a.利用生物質(zhì)中的氫能做飯、取暖。 b.建立小而分散的、簡單的固定床設備，用來取暖發(fā)電。 c.氣化后的產(chǎn)物，含有大量的無機鹽，葉落歸根，供植物生長利用。 2）國民經(jīng)濟中的大生物質(zhì)能 a. 大力種植能源作物。 b. 工業(yè)化規(guī)模制造生物質(zhì)能源。,3.5 生物質(zhì)制氫,3.5.5 我國生物質(zhì)利用,33,3.6 其他制氫方法,3.6.1 烴類分解生成氫氣和炭黑的方法,生成的炭黑可以用于橡膠工業(yè)、著色劑、抗靜電劑、復印色粉及黑色染料等。

21、 ）熱裂解法 在化石能源制氫部分已經(jīng)做了詳細的論述。 2）等離子體法 a. 采用氫氣為等離子體氣。 b. 原料的適應性強，幾乎所有的烴都可作制氫原料。 c. 過程的熱量可回收發(fā)電，能耗有所降低。,3.6.2 氨裂解制氫,氨合成的逆反應，生成的原料不含CO，可用于低溫燃料電池。,34,3.6 其他制氫方法,3.6.3 新型氧化物材料制氫,采用新型氧化物材料“鐵改性稀土高氧化物”，利用溫度擺動300-700并配合甲烷和水汽交換實現(xiàn)了低溫制氫新方法。分兩步： 1）利用氧化物材料放出的點陣氧來氧化甲烷而制得氫 2）利用水汽氧化該氧化物材料使其恢復原態(tài)，同時得到氫?；謴秃蟮难趸锟梢灾貜褪褂?。 調(diào)節(jié)點陣

22、中的氧的釋放量，是氧化甲烷制氫的關鍵，釋放太多容易生成水和二氧化碳，太少則有炭黑沉積氧化物表面。 -有中科院和美國佐治亞理工大學聯(lián)合開發(fā)。,3.6.4 NaBH4催化水解制氫,常溫下可制得高純度的氫，且不含CO，NaBH4在溶液中穩(wěn)定，存儲效率高 7%，催化劑和反應物可循環(huán)利用，適合做燃料電池或內(nèi)燃機的燃料源。,35,3.6 其他制氫方法,3.6.4 NaBH4催化水解制氫,1）基本原理： NaBH4+2H2O-4H2+NaBO2-212kJ/mol, 25 無催化劑的條件下，一定PH值即可發(fā)生反應。 t-NaBH4的半衰期（天） T-絕對溫度 在NaBH4與NaOH的溶液中，反應級數(shù)是零級。

23、即反應速率與反應物濃度無關。 2）H2存儲性能 35%的NaBH4溶液67L可存儲5kg H2，而用30MP壓力罐需要占體積187L。 反應只放出少量的熱，易控制。,36,3.6 其他制氫方法,3.6.4 NaBH4催化水解制氫,）存在的問題： a. 成本高。 b. 在我國裝置規(guī)模普遍小。 c.副產(chǎn)物的回收利用，經(jīng)濟性有待探索。,3.6.5 硫化氫分解制氫,1）基礎知識： a. 熱力學上，常溫常壓下G0，不能自發(fā)反應。 b. 動力學上，氣相分解反應為二級。 2）硫化氫的分解方法 a. 熱分解方法 f. 等離子體法 b. 電化學方法 c. 電場法，電場作為能量，直接分解硫化氫。 d. 微波法，微

24、波對極性物質(zhì)的作用較顯著。 e. 光化學催化法。采用硫化釩和氧化釩作催化劑光解,37,3.6 其他制氫方法,3.6.5 硫化氫分解制氫,3）主要研究方向： a. 不同的能量替代方式，普通的加熱條件下，分解速度較慢，轉(zhuǎn)化率低。 b. 提高反應速度，改變反應條件，研制新型催化劑。 c. 反應產(chǎn)物的分離，分解是可逆反應，反應產(chǎn)物應及時移走，以增加平衡。 e. 反應機理，熱分解機理已較完善，微波反應機理尚處于摸索階段。,3.6.6 太陽能直接制氫,最新進展：日本京都產(chǎn)業(yè)大學大森隆教授，使用1 m2太陽能電池板和100mL的電解溶液，每小時可制氫20 L，純度99.9%。,3.6.7 輻射性催化劑制氫,

25、日本科學家利用 射線直接照射催化劑把水分解為氫和氧，另外一種方法：將轉(zhuǎn)化為紫外線照射催化劑，將水分解。 缺點：效率只有百分之幾。,38,3.6 其他制氫方法,3.6.8 各種化工過程副產(chǎn)氫氣的回收,電解食鹽制堿，發(fā)酵制酒精，合成氨化肥工業(yè)以及石油煉制工業(yè)具有大量氫氣產(chǎn)生。,3.6.9 電子共振裂解制氫氣,1970年，美國科學家普哈里在研究電子共振對血塊的分解效率時偶然發(fā)現(xiàn)，某一頻率的震動會使血液不停產(chǎn)生氣泡。 將600Hz的交流電輸入一個裝水的鼓形空腔諧振器中，使水分子共振后分解產(chǎn)生了氫和氧。 效率達90%！,3.6.10 陶瓷和水反應制取氫氣,日本東京工業(yè)大學在300下，將炭的鎳鐵氧體(CN

26、F)加熱到300，然后用注射針頭向CNF上注水，使他們接觸，制得氫。 方法原理目前不明確。,39,3.7 氫的純化,3.7.1 氫氣中的雜質(zhì),1）水電解制氫： 常見的雜質(zhì)是水汽和氧氣。 2）重油裂解制氫 重油裂化干氣組成：N2,O2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6及C5等烴類 煤制氫中的雜質(zhì) 與石油類制氫的最大區(qū)別是含有雜環(huán)化合物。,3.7.2 氫氣中的雜質(zhì)除去的必要性,1）能源工業(yè)要求： 燃料電池的要求，PEMFC要求只能含有1ppm以下的CO和SO2。 石油加工業(yè)的要求，加氫脫硫，加氫精制均需要較純的氫氣。 2）現(xiàn)代工業(yè)的要求： 冶金工業(yè)；天然食用油加氫；重水廠；分析試驗的標準氣

27、；,40,3.7 氫的純化,3.7.2 氫氣中的雜質(zhì)除去的必要性,3）電子工業(yè)中的應用： 大規(guī)模集成電路，需用5-6個9純度的氫氣；真空材料的生產(chǎn)過程中；電子管、離子管、激光管等；非晶硅太陽能電池和光導纖維的制造。,3.7.3 氫氣的純化方法,總體上分為物理方法和化學方法。 1）催化鈍化： H2+O2,CO+O2 2）金屬氧化物法 儲氫材料用來提純氫氣：儲氫合金又稀土系LaNi, 鈦系TiFe ,鋯系ZrMn2, 鎂系 Mg2Ni等， 浙江大學的Mn-Ca-Cu-Ni-Al合金可提純到6N，并壓縮到14MPa。 上述方法氫的處理量不大，適合實驗室使用。,41,3.7 氫的純化,3.7.3 氫氣

28、的純化方法,3）低溫吸附法： 低溫條件下，可制得6N的超高純氫氣。通常用的吸附劑有：活性炭、分子篩和硅膠等。 4）低溫分離 生產(chǎn)純度低，但可大規(guī)模生產(chǎn)。 5）變壓吸附分離（PSA） 要求處理的原料氣是富氫的，氫的體積含量最小要大于25% 6）無機膜分離 采用鈀合金膜可制得6N以上的超高純氫,42,3.7 氫的純化,3.7.4 氫氣純化方法的比較,43,3.7 氫的純化,3.7.5 膜分離,1）膜的分離原理： 膜法氣體分離的基本原理是根據(jù)混合氣體各組分在壓力的推動下透過膜的傳遞速率不同，從而達到分離目的。不同結(jié)構(gòu)的膜氣體傳遞擴散方式不同，分離機理也不同。 微孔擴散機理 多孔介質(zhì)中氣體傳遞機理包括

29、分子擴散、粘性流、克努森擴散及表面擴散等。分子運動自由平均自由程 10dp膜孔的孔道克努森擴散 0.01dp 粘性流擴散。 溶解-擴散機理 氣體通過非多孔膜的傳遞過程一般用溶解-擴散機理來解釋，分三步：吸著過程-氣體在膜的上游側(cè) 表面吸附溶解；擴散過程-吸附溶解在膜上游側(cè)表面的氣體在濃度差的推動下擴散透過膜；解析過程-膜下游側(cè)表面的氣體解吸。氣體在膜內(nèi)的滲透擴散過程是速率控制步驟。,44,3.7 氫的純化,3.7.5 膜分離,2）膜的種類： 無機膜、有機膜以及無機-有機復合膜。 大連物化所的中空纖維N2/H2分離膜，并實現(xiàn)工業(yè)化，經(jīng)二級膜可以獲得99%的氫 3）無機鈀膜的發(fā)展方向 金屬基選擇滲

30、氫膜6%-10%mol的釔Pd合金是Pd-Ag合金的2倍多。 0.01dp 粘性流擴散。 Pd-Ag合金膜 是分離氫同位素的高效分離膜。 難溶金屬膜 是以難溶金屬為材料，具有很高的滲氫系數(shù)。,45,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,1）太陽能電解水制氫（太陽能光伏電池-電解水制氫） 由于太陽能光伏電池電的轉(zhuǎn)化效率較低，價格非常昂貴，無法與常規(guī)能源制氫相競爭。 2）太陽能熱化學制氫 太陽能提供熱源。 3）太陽能光化學制氫 +41kJ/mol（膠狀鉑） C2H5OH-CH3CHO+H2由于乙醇不直接吸收光，須加入光敏劑，二苯（甲）酮 4）太陽能熱解水制氫 太陽爐可以實現(xiàn)3000 以

31、上的高溫，而熱解水分解需2000 的高溫，目前制約因素主要是造價和材料設備。 5） 光合作用制氫 植物吸收水和CO2合成葡萄糖。將氫能儲存于葡萄糖中-“生命氫能” 氮化酶和氫化酶分解水制氫。,46,6）太陽能直接光催化劑制氫 +41kJ/mol H2O-H2+0.5O2 1972年日本Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2可吸收光能，分解水。-Nature 2001年7月Asahi研制TiO2-xNx在可見光區(qū)吸收光能，具有催化活性。-Science 2001年8月D.G. Nocera以釕的雙核配合物作催化劑，實現(xiàn)可見光鹵化氫制氫。-Science 2001年鄒志剛在日本以NiOy/In

32、0.9Ni0.1TaO4為催化劑實現(xiàn)可見光分解水。-Nature 2002年Shahed以天然氣煅燒金屬鈦，得到TiO2-xCx，可見光下分解水活性很高Science 最近，Y.Bessekhouad采用非貴金屬CuMnO2做催化劑，實現(xiàn)可見光下0.9510-2 mL/(mg.h)的產(chǎn)氫速率。 太陽光催化分解水制氫的實用化關鍵問題: 高效可見光催化劑；穩(wěn)定的光催化反應體系,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,47,4）太陽能直接光催化劑制氫 太陽輻射波長范圍：0.2-2.6 m，對應的光子能量范圍400-40 kJ/mol（以每個水分子吸收一個光子計算） 紫外光波長最短，能量最高

33、，但僅占總能譜的5%； 可見光 占到總能譜的43% 理論依據(jù): 半導體價帶中的電子吸收一定波長的光子后被激發(fā)到導帶上，導帶的底邊高于氫的還原能級H+/H2（更負）時，在半導體和水溶液的界面處將氫離子還原為H2。 當半導體價帶的頂邊低于氧的氧化能級OH-/O2時，價帶上的空穴將相應的OH-氧化為O2 。 理論能壘：1.23eV即可分解水，實際由于存在過電位，需要1.8eV。,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,48,4）太陽能直接光催化劑制氫 催化劑設計的思路： 抑制逆反應： 即電子-孔穴的再結(jié)合； 氫和氧的再結(jié)合。 構(gòu)建穩(wěn)定的光催化反應體系 純水體系、復合光催化體系、光生物催化體

34、系、Z型光催化反應體系及雙床反應體系。 1997年Hawaii大學與Toledo大學開發(fā)了三結(jié)非晶硅太陽能電池制氫,NiOx做陽極，CoMo陰極，達到6%-8%左右的光氫轉(zhuǎn)化效率。 美國可再生能源國家實驗室Turner課題組，采用聚光型半導體實現(xiàn)16.3%的太陽能分解水制氫效率。 德國及以色列通過光電化學制氫體系中加入二硫化釕半導體光催化劑達到了18.3%的光能轉(zhuǎn)化率。,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,49,4）太陽能直接光催化劑制氫 催化劑設計的思路： 抑制電子-孔穴的再結(jié)合 1、采用沖擊波、微波處理催化劑可使催化劑產(chǎn)生更多的缺陷成為電子或空穴的捕捉中心。 2、金屬修飾半導

35、體、合成復合半導體等，減小半導體粒子大小產(chǎn)生的量子尺寸效應，可降低電子-空穴的復合率 抑制氫和氧的再結(jié)合 1、合成層狀結(jié)構(gòu)催化劑，使氫和氧在不同位置的反應點產(chǎn)生。 2、減小液膜厚度，及時除去生成的氣相產(chǎn)物。,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,50,4）太陽能直接光催化劑制氫 催化劑設計的思路： 抑制逆反應： 即電子-孔穴的再結(jié)合； 氫和氧的再結(jié)合。 構(gòu)建穩(wěn)定的光催化反應體系 純水體系、復合光催化體系、光生物催化體系、Z型光催化反應體系及雙床反應體系。 1997年Hawaii大學與Toledo大學開發(fā)了三結(jié)非晶硅太陽能電池制氫,NiOx做陽極，CoMo陰極，達到6%-8%左右的光

36、氫轉(zhuǎn)化效率。 美國可再生能源國家實驗室Turner課題組，采用聚光型半導體實現(xiàn)16.3%的太陽能分解水制氫效率。 德國及以色列通過光電化學制氫體系中加入二硫化釕半導體光催化劑達到了18.3%的光能轉(zhuǎn)化率。,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,51,4）太陽能直接光催化劑制氫 構(gòu)建穩(wěn)定的光催化反應體系： 加入光敏劑 提高可見光的利用率 加入適當?shù)碾娮咏o體作犧牲劑 不可逆的消耗氧、空穴或者OH自由基，提高放氫效率并抑制光生電子和空穴及氫氧復合等逆反應的發(fā)生。例如：許多污染物本身就為良好的電子給體。,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.1 太陽能制氫,52,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.

37、8.2 太陽能-氫能體系,可以解決太陽能能量密度低，時間性和地域性的問題，充分利用太陽能廉價、清潔和無窮盡的優(yōu)點。,53,3.8 太陽能-氫能系統(tǒng),3.8.2 太陽能-氫能體系,太陽能-氫能系統(tǒng)的科學性 1）長久的提供人類所需的足夠能量 2）最環(huán)保的能源系統(tǒng) 3）是和平的能源利用方式 太陽能-氫能系統(tǒng)的經(jīng)濟性 1）研究的深入，系統(tǒng)的效率將進一步提高； 2）工藝和材料的改進，以及規(guī)?；a(chǎn)，降低系統(tǒng)造價成本； 3）建立低成本、長距離輸氫系統(tǒng)，在太陽能豐富的地區(qū)建立太陽-氫能系統(tǒng)； 4）儲氫、用氫技術的成熟，促進系統(tǒng)向規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展； 5）化石能源的減少，價格優(yōu)勢不在明顯； 6）環(huán)保的要求

38、提高。,54,3.9 氫的存儲,3.9.1 氫存儲的必要性,氫氣的存儲是氫經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸,3.9.2 目前氫存儲技術,1）加壓氣態(tài)存儲 我國40 L，15 MPa存儲約0.5公斤的氫（6 m3），不到鋼瓶的2%。加拿大已出現(xiàn)82 MPa的儲氫壓力容器。 能耗高，安全隱患。 2）液化存儲 熱分層問題，上部由于氫的揮發(fā)導致上部氫溫度低，下部溫度高，從而產(chǎn)生對流。 不能長期保持，每天蒸發(fā)損失1%-2%。,55,3.9 氫的存儲,3.9.2 目前氫存儲技術,3）金屬氫化物儲氫 儲氫機理： xM+yH2 - MxH2y 儲氫的步驟： 一、形成含氫固溶體（即 相） PH21/2 HM 二、進一步吸氫，

39、固溶相MHx與氫反應，產(chǎn)生相變，生成金屬氫化物MHy（即 相） 三、增加氫氣壓力，生成更多含氫金屬氫化物 四、吸附氫的脫附,56,3.9 氫的存儲,3.9.2 目前氫存儲技術,3）金屬氫化物儲氫 常用的儲氫體系：(稀土系、拉夫斯相系、鈦系、釩基固溶體、鎂系) 一、稀土系（AB5型） LaNi5它是1969年荷蘭Philips公司偶然發(fā)現(xiàn)的，能吸儲1.4%（wt）的氫 二、拉夫斯Laves相系（AB2） 主要有MgZn2, MgCu2, MgNi2等，合金的吸放氫平臺壓力太高。 三、Ti-Fe系列 儲氫容量在1.8%（wt），價格低，但密度大，活化較困難，滯后性較大，抗毒性差 四、釩基固溶體合金

40、 V-Ti, V-Ti-Cr，1.9%（wt），可逆儲氫大，氫在氫化物中的擴散速度快 五、鎂系儲氫合金 Mg2Ni, 可在較溫和的條件下與氫反應，生成Mg2NiH4,密度小，儲氫量高，解吸平臺好，滯后性也小，價格也低廉，資源豐富。但常壓下放氫溫度高達250，影響使用。純Mg儲氫7.6%，但287 下才放氫。,57,3.9 氫的存儲,3.9.2 目前氫存儲技術,3）金屬氫化物儲氫 常用的儲氫體系：(稀土系、拉夫斯相系、鈦系、釩基固溶體、鎂系) 一、稀土系（AB5型） 氫化反應熱：-30.1kJ/mol H2，室溫下吸儲、釋放氫平衡氫壓為0.2-0.3 M 優(yōu)點：滯后性小；初期易活化；吸儲和釋放氫

41、的速度快；抗其他氣體毒害能力強；能與6個氫原子生成六方結(jié)構(gòu)的LaNi5H6。 缺點：La金屬昂貴；氧化-粉化腐蝕，沖放循環(huán)次數(shù)少。 研究方向：元素取代，Al、Mn、Co等。 Al：延長循環(huán)壽命，降低室溫吸氫壓力； Mn: 降低吸放氫平橫壓力，壓力滯后現(xiàn)象減??； Co：吸氫后膨脹率降低，壽命延長,58,3.9 氫的存儲,3.9.2 目前氫存儲技術,3）金屬氫化物儲氫 常用的儲氫體系：(稀土系、拉夫斯相系、鈦系、釩基固溶體、鎂系) 二、拉夫斯Laves相系（AB2） 優(yōu)點：合金儲氫容量高，無滯后性。 缺點：吸放氫平臺壓力太低、難以在實際中應用。,59,3.9 氫的存儲,3.9.2 目前氫存儲技術,

42、4）非金屬化合物儲氫 一、氫與CO反應生成醇和烴-F-T合成 二、氫與不飽和烴加成反應在加熱時候又釋放出氫，可視為液體儲氫材料 三、氫與N2反應合成肼或氨，與硼形成化合物B2H6,B5H9,B10H14,燃燒時，比石油的熱值高1.5倍 非金屬儲氫在燃料電池電動汽車上的技術還不完善！,60,3.9 氫的存儲,3.9.3 氫存儲研究發(fā)展方向,）高壓儲氫技術 已經(jīng)有MPa的儲氫罐商品，的儲氫罐樣品也成功面世。 ）新型儲氫合金 Mg基儲氫材料，儲氫容量大，價格便宜，無污染，是以后的研究重點，要攻克的技術難題主要是吸放氫溫度過高，抗腐蝕能力等。 Ti基儲氫材料也受重視，成本低，較大的儲氫量，優(yōu)異的平臺。

43、 國內(nèi)，有色金屬研究總院，浙大，南大、上海冶金所研究方面較有建樹 ）有機化合物儲氫 苯、甲苯、環(huán)己烷等是較理想的液態(tài)儲氫載體。 有機物儲氫密度高，儲氫量大，苯理論量為7.19%,甲苯6.67%。,61,3.9 氫的存儲,3.9.3 氫存儲研究發(fā)展方向,）碳凝膠（carbon aerogels） 類似于泡沫塑料的物質(zhì)，特點：超細孔，大表面積，并有一個固態(tài)的基體。8.3下儲氫3.7(wt)。 5）玻璃微球（glass microspheres） 玻璃態(tài)化結(jié)構(gòu)屬非晶態(tài)結(jié)構(gòu)材料，將熔融液態(tài)合金急冷獲得。 例如Zr36Ni64等，優(yōu)點：反復吸放氫不會粉末化，比晶態(tài)材料吸氫量多。 ) 氫漿儲氫(Hydro

44、gen Slurry Storage) 氫漿：有機溶劑與金屬儲氫材料的固液混合物， 優(yōu)點：固液可用泵輸送，傳熱性能改善，避免合金粉末化和粉末飛散，工程放大設計方便。 ）冰籠儲氫(Ice Cage Storage) 壓力足夠大時，氫氣可以成對或個一組被裝進冰籠中，氫和冰在atm， ，就融合成“籠形物”(六方體)。 ）層狀化合物儲氫 受納米管儲氫的啟發(fā)，利用其他的硼等層狀物來儲氫。,62,3.10 碳材料儲氫,3.10.1 活性炭儲氫,1）活性炭儲氫 1980年活性炭發(fā)現(xiàn)活性在65K和4.15MPa時下，可獲得5.2的吸氫量。 2000年，Orimo發(fā)現(xiàn)液氮下，某些石墨可以吸附7.4的氫。 200

45、0年，天津大學周理教授開發(fā)一種活性炭復合物理方法，77、6MPa下可獲得10.8的儲氫量。 ）活性炭儲存天然氣 目前北京市天然氣的存儲壓力為20 MPa，而采用活性炭的吸附存儲壓力可大大降低，約為3.5 MPa 。 目前最具存儲潛力的是活性炭纖維，它的優(yōu)點有：總表面積大及微孔豐富；吸附和解吸速度快；通氣性佳，低粉塵、量輕，容易制成各種形狀。,63,3.10 碳材料儲氫,3.10.2 納米碳儲氫,1）納米碳的發(fā)現(xiàn) 年Carl, Smalley, Kroto發(fā)現(xiàn)C60,富勒烯或巴基球。 1991年Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管 ）納米碳管的制備方法 a. 電弧放電法 b. 激光蒸發(fā)法 c. 化學氣相沉積

46、法 d. 火焰法,管間距0.34 nm DH2=0.23 nm,64,3.10 碳材料儲氫,3.10.2 納米碳儲氫,）納米碳的處理 納米碳生產(chǎn)過程中伴隨著無定形碳微粒、無定形碳纖維、石墨微粒及金屬顆粒 氣相氧化法或液相氧化法除去雜質(zhì)。 ）納米碳儲氫 推測毛細作用導致吸氫。 Dillon對10%SWNT的炭灰吸氫，在133K，0.04MPa條件下，儲氫量高達10%（wt）。 Rodriguez報道了石墨納米纖維GNFs在室溫，12MPa時儲氫60.58%（wt）,65,3.10 碳材料儲氫,3.10.2 納米碳儲氫,）納米碳儲氫,66,3.10 碳材料儲氫,3.10.2 納米碳儲氫,）納米碳儲

47、氫 展望：有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，是一種有前途的儲氫手段。 有的報道儲氫在1%，有的報道8-10%或更高。,3.10.3 納米碳電化學儲氫,碳納米管電化學儲氫原理 (CNT-Metal cathode ) CNTs+xH2O+xe-(CNTs+xH)+xOH- H2O+e-+M-M-Hads+OH- M-Hads+M-Hads-2M+H2(g) M-Hads+e-+H2O-M+H2+OH- M-Hads+CNT-CNTHads+M,67,3.10 碳材料儲氫,3.10.3 納米碳電化學儲氫,68,3.11 氫氣的輸送和加注,3.11.1 車船運輸與加注,1）液氫儲罐 駁船，低溫汽車槽灌車。 2）壓力容器

48、鋁合金做內(nèi)膽，外纏高強度碳纖維，再經(jīng)過樹脂浸漬，固化而成，耐壓35 MPa。適合于燃料電池汽車和小轎車。 3.11.2 管道輸送 1）液氫 NASA建立輸送管道工供航天飛機液氫加注用。 2）氣氫 通過氫氣管網(wǎng)進行長距離能量輸送的成本比通過輸電線的成本要低很多。 3）有機化合物 技術和經(jīng)濟可行性有待考究,69,3.11 氫氣的輸送和加注,3.11.3 加氫站,1）天然氣重整制氫加氫站 可以利用現(xiàn)有的天然管網(wǎng)，省去建設新的管網(wǎng)，2000億美元建立所有美國加氫站。缺點：含有硫，CO等 2）水電解制氫站 氫氣純度高，設備簡單，不復雜。缺點：制氫成本高。,3.11.4 國外加氫站情況,70,3.11 氫

49、氣的輸送和加注,3.11.4 國外加氫站情況,3.11.5 國內(nèi)加氫站空白?,71,3.12 核聚變,3.12.1 受控核聚變,1）定義 受控核聚變，指在人為可控的條件下將輕原子核聚變合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量的一種核反應過程。 2）原理 愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2 重原子核的平均結(jié)合能和輕原子核的平均結(jié)合能都比中等原子量的核的平均結(jié)合能小。 3）核聚變歷史 1952年美國爆炸第一顆氫彈，1953年蘇聯(lián)，1957年英國，1967中國，1968年法國。 3.12.2 如何實現(xiàn)核聚變 1）實現(xiàn)核聚變的條件 a. 足夠高的點火溫度（幾千萬或幾億攝氏度）,72,3.12 核聚變,3.12.

50、2 如何實現(xiàn)核聚變,1）實現(xiàn)核聚變的條件 b. 反應裝置的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。 c. 充分約束，能量的約束時間要超過1s,使聚變產(chǎn)生的能量大于用于加熱和約束等離子體所消耗的能量。 2）勞遜判據(jù) 勞遜數(shù)：熱核等離子體中的離子數(shù)密度n（n=離子數(shù)/cm3）和熱核等離子體的約束時間t的乘積。-判斷核聚變能否進行的基礎數(shù)據(jù)。 核聚變品質(zhì)因素：勞遜數(shù)與等離子體的溫度乘積。判斷核聚變研究水平高低的標志。 勞遜判據(jù)的出現(xiàn)標志著受控核聚變理論研究的重要進展。 3）原料 氫、氘、氚、氦-3、鋰-6、硼-11。 其中氘占自然氫的0.0153%，可以使用109年。,73,3.12

51、核聚變,3.12.2 如何實現(xiàn)核聚變,4）設備 a. 磁約束核聚變反應：利用一定位形的磁場來約束熱核等離子體。 b. 慣性約束聚變：利用外力如激光把輕核聚變?nèi)剂现瞥傻男∏驑O快地壓到高密度和高溫，使其釋放巨大的熱核聚變能。 c. 聯(lián)合使用磁約束和慣性約束核聚變：目前常使用的裝置叫做“爆聚襯筒”。 3.12.3 核聚變的優(yōu)點 1）釋放能量巨大 單位質(zhì)量的氘聚變所放出的能量是單位質(zhì)量的U235裂變所放出的能量的四倍。聚變頻率在3-4次/秒并且連續(xù)不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發(fā)電站 2）原料豐富 氫、氘、氚、氦-3、鋰-6、硼-11。其中氚可以用中子同鋰作用產(chǎn)生。,74,3.12

52、 核聚變,3.12.3 核聚變的優(yōu)點,3）環(huán)境友好 聚變后不產(chǎn)生放射性的物質(zhì)；鈾裂變后廢物難處理。 4）核聚變比和核裂變的原料成本低 鈾的提煉十分復雜，1kg濃縮鈾成本1.2萬美元，1kg氘成本300美元。 3.12.4 核聚變的研究現(xiàn)狀,75,3.12 核聚變,3.12.5 核聚變的前景,1）冷聚變 a. 1926年提出冷聚變的設想，得到氦，但后來發(fā)現(xiàn)是玻璃或石棉釋放的。 b. 1960年濃縮氘時發(fā)現(xiàn)奇異現(xiàn)象。 c. 1989年，美國猶他州用簡單的重水電解裝置，在鈀電極上實現(xiàn)了持續(xù)的核聚變。 d. 2002年，美國橡樹嶺國立實驗室在Science發(fā)表論文，利用中子發(fā)生器，產(chǎn)生的14MeV高能

53、中子用聲致發(fā)光技術引發(fā)了“汽泡核聚變”。 2）受控核聚變前景 人造太陽 3He為燃料，更清潔，效益更高，但只有月球上有，儲量有限,76,3.13 燃料電池,3.13.1 燃料電池原理,1）定義 是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高達60%-80%。 2）燃料電池熱力學計算 a. 標準理論可逆電動勢 以水為例： b.實際電池的電動勢（能斯特方程） c. 電池電壓Er與溫度的實用關系為：,-代表活度,77,3.13 燃料電池,3.13.1 燃料電池原理,2）燃料電池熱力學計算 d. 燃料電池效率：轉(zhuǎn)換為電能的那部分能

54、量占燃料中所含能量的比值 以水為例： e. 燃料電池的電池極化與過電位 在研究可逆電池和可逆電極時，電極處于平衡狀態(tài)，沒有電流通過，此時的電位稱為平衡電位e，實際過程的電極存在阻力，電流也不是無限小，電流通過時，電極電動勢會偏離平衡值，稱為電極的極化。 電極的過電位-偏離平衡電位值的實際電位與平衡電位值e之差的絕對值。,由于電池內(nèi)阻的存在，實際效率為50%-70%，內(nèi)燃機為30%,78,3.13 燃料電池,3.13.1 燃料電池原理,3）燃料電池優(yōu)點 a. 能量轉(zhuǎn)換效率高，溫差電池效率10%，太陽電池的效率為20%。 b. 減少大氣污染，普通的火力發(fā)電無法相比。 c. 特殊場合的應用，載人宇宙

55、飛船。 d. 高度的可靠性，模塊化結(jié)構(gòu)，負載變化時，響應速度快。 e. 比能量高，補充燃料，即可輸出能量。 4）燃料電池的分類 按電解質(zhì)的類型分： a. 堿性燃料電池(Alkaline FC) b. 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，又稱為固體聚合物燃料電池 c. 磷酸燃料電池（Phosphorous Acid FC ) d. 熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate FC) e. 固體氧化物燃料電池(Solid Oxide FC),79,3.13 燃料電池,3.13.1 燃料電池原理,80,3.13 燃料電池,3.13.2 堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cells）,

56、1）堿性燃料電池原理 陽極反應：H2+2OH- - 2H2O+2e- 標準電極電位為-0.828V 陰極反應：1/2O2+H2O+2e- - 2OH- 標準電極電位為0.401V 理論電動勢為：-1.229V KOH, NaOH為電解質(zhì) 2）優(yōu)缺點 優(yōu)點：效率高；堿性介質(zhì)可用非鉑催化劑；工作溫度低可用鎳板做雙極板 缺點： 堿性介質(zhì)腐蝕的電極材料，CO2易使其中毒。 現(xiàn)已基本被PEMFC取代。各國相繼停止了對其研究。,1932英劍橋大學，Bacon制造出，也叫Bacon電池，1959年才生產(chǎn)出可工作的5 kW電機。,81,3.13 燃料電池,3.13.3 質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exc

57、hange Membranes Fuel Cell）,1）PEMFC原理 陽極反應：1/2H2+nH2O（g, l）-H+.nH2O(l)+e- H2 2H+2e- 陰極反應：1/2O2(g)+2H+.nH2O+2e- - (n+1)H2O(g, l) 1/2O2+2H+2e- H2O 2）PEMFC電池的關鍵材料和零部件 a. 質(zhì)子交換膜，主要有美國Du Pont公司的Nafion膜，Dow公司的XUSB204膜，日本Asahi公司的Aciplex膜，Asahi Glass公司的Flemion膜,日本氯工程公司的C膜，加拿大巴拉德公司的BAM膜。 b. 電催化劑，Pt。 c. 膜電極組件。,82,質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖,500kw質(zhì)子交換膜燃料電池,83