氢能和燃料电池

1、第第8 8章章 氢能和燃料电池氢能和燃料电池震惊世界的震惊世界的爆炸爆炸读一下教材第读一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受章的引例故事，相信你一定能感受到氢能的巨大威力到氢能的巨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。 问题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

2、用？燃料电池可以在哪些场合应用？2022-6-5浙江工业大学 戚军3本章纲要本章纲要氢和氢能概述氢和氢能概述1氢的制取氢的制取2氢的储存氢的储存3燃料电池概述燃料电池概述42022-6-5浙江工业大学 戚军4燃料电池的类型燃料电池的类型5燃料电池的应用领域燃料电池的应用领域6本章作业本章作业氢和氢能概述氢和氢能概述8.1 2022-6-5浙江工业大学 戚军52022-6-5浙江工业大学 戚军6（1） 氢和氢能简介氢和氢能简介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，氢气为标准状态下，氢气为无色无味的气体无色无味的气体，密度是空，密度是空气

3、的气的1/14.5。发现故事：发现故事：氢的发现和氢的发现和命名（命名（Hydrogen）（1） 氢和氢能简介氢和氢能简介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第三三。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化合物合物形态存在，主要存在形态存在，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，亿亿吨，所产生的热量是地球上所产生的热量是地球上化石燃料的化石燃料的9000倍倍。2022-6-5浙江工业大学 戚军7(2) (2) 氢氢能及其利用能及其利用方式方式氢能氢

4、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核聚变变时释放的能量时释放的能量。利用利用氢能的方式氢能的方式很多，包括：很多，包括：直接直接作为燃料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，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；能；利用利用氢的氢的热核反应热核反应释放出核能；等等。释放出核能；等等。2022-6-5浙江工业大学 戚军8想一想：氢能是一想一想：氢能是一次能源还是二次能次能源还是二次能源源？(2) (2) 氢氢能及其利用能及其利用方式方式氢燃料氢的氢的含热量很高含热量很高，

5、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%的空气时仍能稳定燃烧。的空气时仍能稳定燃烧。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。化氢。氮化氢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将来，氢有可能取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。料之一。2022-6-5浙江工业大学 戚军9(2) (2) 氢氢能及其利用能及其利用方式方式氢的核聚变氢的核能

6、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。发生质量亏损时释放出的能量为发生质量亏损时释放出的能量为E = mc2。1g的氢聚变为氦，质量损失的氢聚变为氦，质量损失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比铀原子核裂变释放的能量大若干倍。且核聚变过程中干倍。且核聚变过程中没有放射性没有放射性，对环境，对环境无污无污染染。一旦受控的氢核聚变获得成功，人类的能源与环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。境问题将得到根本的解决。2022-6-5浙江工业大学 戚军1023吨标准煤吨

7、标准煤(2) (2) 氢氢能及其利用能及其利用方式方式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。氢能可以输送、储存、大规模生产并且能再生利氢能可以输送、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用，基本无污染，具有无可比拟的潜在开发价值。2022-6-5浙江工业大学 戚军11（3）氢能的应用氢能的应用历史历史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

8、。1950s，加拿大尝试把氢作为，加拿大尝试把氢作为普通内燃机燃料普通内燃机燃料，美，美国开始研究用国开始研究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。由于液氢的优良燃烧特性和能量密度，广泛的用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于卫星和航天器的火箭发动机火箭发动机中中。2022-6-5浙江工业大学 戚军122022-6-5浙江工业大学 戚军13本章纲要本章纲要（3）氢能的应用历史氢能的应用历史1960s以后，以后，燃料电池燃料电池发展起来，又给氢能的利用发展起来，又给氢能的利用开辟了一个新的领域。开辟了一个新的领域。以以液氢为原料液氢为原料的燃料电池的燃料

9、电池电动车电动车，已进入商业化，已进入商业化生产阶段。生产阶段。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。其原料可直接取自海水中的氘。其原料可直接取自海水中的氘。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。氢的制取氢的制取8.22022-6-5浙江工业大学 戚军14氢能氢能氢能氢能，通常指游离的，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、生物质和矿物质氢通常以化合物形态存在于

10、水、生物质和矿物质燃料中。从这些物质中获取氢，需要消耗大量的燃料中。从这些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。能量。2022-6-5浙江工业大学 戚军15制取方法分类制取方法分类2022-6-5浙江工业大学 戚军16化石燃化石燃料制氢料制氢煤制氢煤制氢天然气制天然气制氢氢重油部分重油部分氧化制氢氧化制氢水分解水分解制氢制氢电解水制电解水制氢氢高温水蒸高温水蒸气分解制气分解制氢氢等离子体等离子体制氢制氢生物制生物制氢氢生物质气生物质气化制氢化制氢微生物制微生物制氢氢太阳能太阳能制氢制氢直接制氢直接制氢间接制氢间接制氢制氢方法总结制氢方法总结2022-6-5浙江工业大学 戚军17本章纲要本章纲要（1

11、） 化石燃料制氢化石燃料制氢2022-6-5浙江工业大学 戚军18煤煤为原料制氢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，生成H2和和CO2。发生的化学反应是。发生的化学反应是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，副产品为副产品为焦炉煤气（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)等发生等发生反应转化成气体产物。氢气含量与气化方法有关反应转化成气体产物。氢气含量与气化方法有

12、关。（1） 化石燃料制氢化石燃料制氢天然气天然气制氢制氢天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主要有两种。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，还能的同时，还能得到碳，而不向大气排放得到碳，而不向大气排放CO2。该法技术简单，。该法技术简单，但是制造成本不低。但是制造成本不低。2022-6-5浙江工业大学 戚军19（1） 化石燃料制

13、氢化石燃料制氢重油重油部分氧化制氢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、水蒸气反应生成应生成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。2022-6-5浙江工业大学 戚军20制氢方法分类制氢方法分类（2）水分解制水分解制氢氢电解电解水制氢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，将水分解成分解成H2 和和O2。其反应式为。其反应式为：水电解操作简便，制得的水电解操作简便，制得的氢气纯度高氢气纯度高

14、，但需，但需消耗消耗电能电能。常压常压下电解制氢的能量效率一般在下电解制氢的能量效率一般在70%左右。为左右。为提高效率，通常在提高效率，通常在3.05.0MPa的压力下进行的压力下进行。2022-6-5浙江工业大学 戚军21燃烧燃烧时释放热量时释放热量140MJ/kg理想状态下理想状态下，33kWh/kg（2）水分解制水分解制氢氢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度很大。为降低分解温度，可采用多步骤热化学反应制造氢气反应制造氢气。其。其化学反应通式化学反应通式为为X为中

15、间为中间媒体媒体，仅参与反应，并不消耗，但是因，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，需将它们从产物中分离出来。整氧化物。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个过程仅仅消耗水和一定的热量。2022-6-5浙江工业大学 戚军22（2）水分解制水分解制氢氢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、O2-、O2、OH-和和水。水。要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢

16、不再和氧结合。该过程再和氧结合。该过程能耗很高能耗很高，因而制氢，因而制氢成本很成本很高高。2022-6-5浙江工业大学 戚军23我国的氢气生产，除了用化石燃料以外，其余的主要都通过水电解法生产。不产生温室气体，但是生产成本较高。趣闻：神秘的海面大火制氢方法分类制氢方法分类（3）生物制生物制氢氢生物质生物质气化制氢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）（或裂解炉）中进行反应制得中进行反应制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（参见天然气制氢）。（参见天然气制

17、氢）。2022-6-5浙江工业大学 戚军24（3）生物制生物制氢氢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反应制得氢气。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：光光合细菌合细菌或藻类或藻类，在光照，在光照作用下使有机酸分解出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，发酵产生产生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。2022-6-5浙江工业大学 戚军25制氢方法分类制氢方法分类（4）太阳能制

18、太阳能制氢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制氢最具有吸引力且最具现实意义的途径。途径。间接间接制氢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。直接直接制氢制氢（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，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，困难水加热至很高温度，反应才有实际应用的可能，困难较大。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可使水等含氢化合物分子中氢键断裂，效率较低。裂，效率较低。2022-6-5浙江工业大学 戚军26

19、制氢方法分类制氢方法分类氢的储存氢的储存8.3 2022-6-5浙江工业大学 戚军272022-6-5浙江工业大学 戚军28氢的储存氢的储存氢能的储存很关键，是目前氢能开发的氢能的储存很关键，是目前氢能开发的主要技术主要技术障碍障碍。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，氢气很难高很难高密度密度储存。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。的高能燃料。在在-252.7变为液体，密度变为液体，密度70kg/m3（1） 对储氢系统的要求对储氢系统的要求安全性安全性最重要，不过在设计时都会充分考虑，并最重要，不过在设计时都会充分考虑，并且在使用中

20、多能够满足。且在使用中多能够满足。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，是衡量氢气储运技术是否先进的主要指标。要指标。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、使用的环境温度等充放氢气的时间、使用的环境温度等。2022-6-5浙江工业大学 戚军29储储氢方式氢方式2022-6-5浙江工业大学 戚军30（2）氢气的氢气的储存储存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，不过因氢低压储存，不过因氢气密度太低，只气密度太低，只适

21、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，装入钢瓶中储存和运输。储存和运输。新型复合高压氢气瓶新型复合高压氢气瓶（耐压（耐压35MPa）储氢密度可）储氢密度可达达2%。高压储氢高压储氢动态响应最好，能瞬间通断，实际使用动态响应最好，能瞬间通断，实际使用最广泛最广泛。不过。不过有安全隐患有安全隐患。2022-6-5浙江工业大学 戚军31（3）液液氢的氢的储存储存氢气在氢气在-252.7低温下可以变为液体。液体的氢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。可以储存在绝热的低温容器中。液氢的液氢的单位体积含能量

22、很高单位体积含能量很高，比高压气态储存高，比高压气态储存高好几倍。好几倍。液氢的理论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。考虑容器和附件的体积，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。2022-6-5浙江工业大学 戚军32（3）液液氢的氢的储存储存液液氢储运的最大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，目前可做到做到5%以上，存在的以上，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。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。因此，大的储罐都备有缓慢的都备有缓慢的搅拌装置搅拌装置以以阻

23、止热分层阻止热分层。2022-6-5浙江工业大学 戚军33（4）固体金属氢化物固体金属氢化物储存储存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，在一定的温度和压力条件下，能大量力条件下，能大量“吸收吸收”氢气，发生化学反应氢气，发生化学反应生成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，使其分分解解，将储存在其中的，将储存在其中的氢释放氢释放出来出来。2022-6-5浙江工业大学 戚军34（4）固体金属氢化物固体金属氢化物储存储存金属金属氢化物的氢化物的储氢容量较大储氢容量较大，相同温度、压力，相同温度、压力，体

24、积储氢密度是氢气的体积储氢密度是氢气的1000倍倍。（质量储氢密度低）（质量储氢密度低）由于由于储存容量大储存容量大、储运安全方便储运安全方便等优点，金属氢等优点，金属氢化物储氢可能最有发展前景。化物储氢可能最有发展前景。2022-6-5浙江工业大学 戚军35（5）研究中的储氢新研究中的储氢新方法方法有机物有机物储氢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，与氢反应生成环己烷或甲基环己烷，在己烷，在0.1MPa、室温下呈液态，通过催化脱氢、室温下呈液态，通过催化脱氢反应又可产氢。反应又可产氢。此方式有此方式有储氢量大储氢量大、能量密度高能量密度高、储存设备简单储存设备简单等

25、特点，而且还能多次循环利用。等特点，而且还能多次循环利用。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、脱氢时能耗脱氢时能耗高高，在很大程度上限制了它的应用，在很大程度上限制了它的应用。2022-6-5浙江工业大学 戚军36（5）研究中的储氢新方法研究中的储氢新方法地下地下压缩储压缩储氢氢是是一种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是理想的防止氢气扩散的介质。但地下储存的氢气大约有质。但地下储存的氢气大约有50%左右会滞留在左右会滞留在岩洞中，难于被释放出来岩洞中，难于被释放出来。2022-6-5浙江工

26、业大学 戚军37（5）研究中的储氢新方法研究中的储氢新方法碳碳质质储氢材料储氢材料主要主要是是高比表面积活性炭高比表面积活性炭等。特殊加工后的高比等。特殊加工后的高比表面积活性炭，在表面积活性炭，在2-4MPa和超低温下，质量储氢和超低温下，质量储氢密度可达密度可达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。2022-6-5浙江工业大学 戚军38本章纲要本章纲要燃料电池概述燃料电池概述8.42022-6-5浙江工业大学 戚军392022-6-5浙江工业大学 戚军40（1）燃料电池的发展历史燃料电池的发展历史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

27、。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，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质子交换膜燃料电池获得了广泛的研究和开发。（2）燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理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。燃

28、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电路路组成。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，向阴极供氧化阴极供氧化剂剂(氧氧)。不断从外部供给燃料和氧化剂，燃料电池即可连不断从外部供给燃料和氧化剂，燃料电池即可连续发电。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。2022-6-5浙江工业大学 戚军41（2）燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理为加速电化学反应，为加速电化学反应，燃料电池的电极上燃料电池的电极上往往都有往往都有催化剂催化剂。催化剂一般做成多催化剂一般做成多孔材料，以增大燃孔材料

29、，以增大燃料、电解质和电极料、电解质和电极之间的接触截面。之间的接触截面。这种多孔电极称为这种多孔电极称为气体扩散电极气体扩散电极。2022-6-5浙江工业大学 戚军42（2）燃料电池的基本原理燃料电池的基本原理由由一个阳极、一个阴极和相关的电解质、燃料、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空气通路组成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。实用的燃料电池均由电堆组成。实用的燃料电池均由电堆组成。燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活燃料电池就像积木一样，可以根据功率要求灵活组合

30、，容量小到为手机供电、大到可与常规发电组合，容量小到为手机供电、大到可与常规发电厂相提并论厂相提并论。2022-6-5浙江工业大学 戚军43（3）燃料电池系统的构成燃料电池系统的构成燃料电池系统，除燃料电池系统，除燃料电池本体燃料电池本体(发电系统发电系统)外，还有一些外，还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、热管热管理理、逆变逆变、控制控制、安全安全等。等。2022-6-5浙江工业大学 戚军44（3）燃料电池系统的燃料电池系统的构成构成这这是大容量燃料电池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、。不同类型、容量和适用场合

31、，有些部分可能被简化甚至取消。容量和适用场合，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。2022-6-5浙江工业大学 戚军45（4） 燃料电池燃料电池发电的特点发电的特点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燃料电池不是能量储存装置装置，而是，而是能量转化装置能量转化装置。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：能量能量转换效率高。转换效率高。污染物污染物排放少。排放少。能量能量转换主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。转换主装置无运动部件，设备可靠，噪音极小。资源资源广泛，建

32、设灵活。广泛，建设灵活。2022-6-5浙江工业大学 戚军46本章纲要本章纲要燃料电池的类型燃料电池的类型8.52022-6-5浙江工业大学 戚军47（1） 燃料电池的分类燃料电池的分类2022-6-5浙江工业大学 戚军48最先最先研究成功的，多用于火研究成功的，多用于火箭、卫星上，但其成本高，箭、卫星上，但其成本高，不宜大规模研究开发不宜大规模研究开发。目前已进入实用化阶段。目前已进入实用化阶段。目前研制的热点。目前研制的热点。特别适合作为小型电源，目前已开特别适合作为小型电源，目前已开始对其进行基础研究。始对其进行基础研究。（2） 各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池碱性燃料电碱性燃料电池

33、池(AFC)磷酸型燃料磷酸型燃料电池电池(PAFC)融融碳酸盐融融碳酸盐型燃料电池型燃料电池(MCFC)固体氧化物固体氧化物型燃料电池型燃料电池(SOFC)质子交换膜质子交换膜型燃料电池型燃料电池(PEMFC)直接甲醇型直接甲醇型燃料电池燃料电池(DMFC)2022-6-5浙江工业大学 戚军49本章纲要本章纲要碱性燃料电池（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，以纯氧气纯氧气作为氧化剂，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燃料电池都有竞争力。燃料电池都有竞争

34、力。其其低温快速起动低温快速起动特性，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，限制了其应用净水和排水排热系统庞大，限制了其应用。2022-6-5浙江工业大学 戚军50各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池磷酸型燃料电池（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甲醇等气体等气体的重整气为燃料，以的重整气为燃料，以空气空气为氧化剂，一般要用为氧化剂，一般要用铂铂金金作催化剂。作催化剂。工作温度工作温度200，发电效率，发电效率30%多

35、，用白金作催化多，用白金作催化剂，对剂，对燃料要求较高燃料要求较高。对燃料气和空气中的对燃料气和空气中的CO2有耐受力，能适应多种有耐受力，能适应多种工作环境工作环境。世界之最：世界之最：最大的最大的燃料电池系统燃料电池系统2022-6-5浙江工业大学 戚军51各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池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；为氧化剂；可用重整气可用重整气(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不需要采用贵金属作为催化剂催化剂

36、。工作过程中放出的高温余热可回收，发。工作过程中放出的高温余热可回收，发电效率电效率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。不过，高温条件下过，高温条件下电解质的腐蚀性电解质的腐蚀性较强，对电池材较强，对电池材料有严格要求；而且废热回收装置料有严格要求；而且废热回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。2022-6-5浙江工业大学 戚军52各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池固体氧化物型燃料电池（固体氧化物型燃料电池（SOFC）常常采用采用ZrO2+Y2O3固体电解质，以重整气为燃料，固体电解质，以重整气为燃

37、料，以以空气空气为氧化剂。多孔电极。为氧化剂。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；但采用复合废热回收装置，体积大，质量重，只适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。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。2022-6-5浙江工业大学 戚军53各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池质子交换膜型燃料电池（质子交换膜型燃料电池（PEMFC）燃料燃料一般为一般为高纯度的氢气高纯度的氢气。采用以离

38、子导电的。采用以离子导电的固固体高分子电解质膜体高分子电解质膜。最佳温度为最佳温度为80。工作温度低，。工作温度低，需要采用贵金属需要采用贵金属作为催化剂作为催化剂。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、。起动快、功率密度高，而且只产生功率密度高，而且只产生少量废热和液态水少量废热和液态水，不，不产生污染大气的氮氧化物，是汽车动力的理想电产生污染大气的氮氧化物，是汽车动力的理想电源之选。源之选。2022-6-5浙江工业大学 戚军54各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池石墨烯石墨烯燃料电池燃料电池直接甲醇型型直接甲醇型型燃料电

39、池燃料电池（DMFC）是质子交换膜燃料电池的一种，氧化剂为纯氧或空气。是质子交换膜燃料电池的一种，氧化剂为纯氧或空气。燃料为燃料为甲醇甲醇(气态或液态气态或液态)。DMFC的优点：的优点：潜在高效率；潜在高效率；设计简单；设计简单；内部燃料直接转换；内部燃料直接转换；加燃料方便；加燃料方便；体积小，适用于汽车等移动式应用。体积小，适用于汽车等移动式应用。2022-6-5浙江工业大学 戚军55各种类型的燃料电池各种类型的燃料电池燃料电池的应用领域燃料电池的应用领域8.62022-6-5浙江工业大学 戚军56燃料电池的特点燃料电池的特点2022-6-5浙江工业大学 戚军57燃料电池的应用领域燃料电

40、池的应用领域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。交通工具交通工具的动力的动力燃料电池不会或者极少排出污染物，可解决常规汽车燃料电池不会或者极少排出污染物，可解决常规汽车的的尾气污染问题尾气污染问题，而且还没有，而且还没有机械噪音机械噪音。只要燃料供。只要燃料供应充足，车辆行驶的里程是可以不受限制的应充足，车辆行驶的里程是可以不受限制的。2022-6-5浙江工业大学 戚军58燃料电池的应用领域燃料电池的应用领域仪器仪器和通讯设备电源和通讯设备电源手机、相机等手机、相机等电

41、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，寿命短，供电的维持时间也短。燃料电池可克服这一缺命短，供电的维持时间也短。燃料电池可克服这一缺陷。陷。军事军事应用应用型号型号多，噪音小，适合军用多，噪音小，适合军用。2022-6-5浙江工业大学 戚军592022-6-5浙江工业大学 戚军602022-6-5浙江工业大学 戚军61本章纲要本章纲要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，可以大大提高燃料利用率、降低空气污染及解决电力供应、提高电网用率、降低空气污染及解决电力供应、提高电网的安全性。的安全性。作为继火电、水

42、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，燃料电池将在能源领域里占据举足轻重的地位。燃料电池将在能源领域里占据举足轻重的地位。附录附录 石墨烯燃料电池石墨烯燃料电池“质子传导薄膜质子传导薄膜”是燃料电池技术的核心部分是燃料电池技术的核心部分，现有，现有的质子薄膜上常的质子薄膜上常存在燃料泄漏，降低了电池有效性，但质子可以较为容易地存在燃料泄漏，降低了电池有效性，但质子可以较为容易地“穿越穿越”石墨烯等二维材料，而其他物质则很难穿越，从而可以解决燃料渗透石墨烯等二维材料，而其他物质则很难穿越，从而可以解决燃料渗透的问题，增加电池的有效性的问题，增加电池的有效性。汽车

43、中的燃料电池使用氧和氢作为汽车中的燃料电池使用氧和氢作为燃料。燃料。据据世界报世界报消息，西班牙消息，西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到公里，而其充电时间不到8分钟分钟。这种石墨烯聚合材料电池的使用寿命较长，是传统氢化电池的四倍，这种石墨烯聚合材料电池的使用

44、寿命较长，是传统氢化电池的四倍，锂电池的两倍。且因石墨烯的特性，此电池的重量仅为传统电池的一锂电池的两倍。且因石墨烯的特性，此电池的重量仅为传统电池的一半，使得装载该电池的汽车更加轻量化，进而提高汽车燃油效率半，使得装载该电池的汽车更加轻量化，进而提高汽车燃油效率。Graphenano公司相关负责人称，此电池的成本将比锂电池低公司相关负责人称，此电池的成本将比锂电池低77%，完全在消费者承受范围之内。完全在消费者承受范围之内。2022-6-5浙江工业大学 戚军62附录附录 燃料电动汽车的发展现状燃料电动汽车的发展现状美国美国20世纪世纪60年代和年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，年代

45、，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。美国通用汽车公司美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池（交换膜燃料电池（PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池）和蓄电池并用提供动力或固体高聚合物电解质燃料电池）和蓄电池并用提供动力的轿车的轿车。美国福特汽车公司美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃

46、料现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只倍，而产生的污染则只有内燃机的有内燃机的5%。2022-6-5浙江工业大学 戚军63附录附录 燃料电动汽车的发展现状燃料电动汽车的发展现状加拿大加拿大巴拉德巴拉德(Ballard)汽车公司是汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自的世界先驱公司，自1983年以来，年以来，Ballard公司一直从事公司一直从事开发和制造燃料电池开发和制造燃料电池。1993年巴拉德公司推出了世界上第年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备一辆

47、运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级级PEMFC燃料电池组，能载客燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行即可连续运行480km。目。目前，前，Ballard燃料电池的体积功率已达到燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。的目标。2022-6-5浙江工业大学 戚军64附录附录 燃料电动汽车的发展现状燃料电动汽车的发展现状日本日本在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽（柴）油汽车一样方倍的燃料电池，且能和现用的汽（柴）油汽