4.生物制氢3市公开课获奖课件省名师优质课赛课一等奖课件

4.氢气利用与燃料电池电解池与原电池电极电解质

氧化还原反应1/521燃料电池（FuelCells）2/522氧化气燃料还原电极氧化电极电解质3/523燃料电池分类4/524碱性燃料电池（alkalinefuelcells，AFC）5/525碱性染料电池特点催化剂：铂、钯、金、银、镍、钴、锰优点：①效率高（理论83%，实际40%）②碱性介质，能够用非铂催化剂；③工作温度低（60-90℃），碱性介质，因而可用镍板做双极板；缺点：①碱性，易与CO2反应生成K2CO3、Na2CO3等沉淀，影响电池性能，所以需要除去CO2，工艺复杂，难度大。②电池中水平衡很复杂，影响电池性能稳定性。6/526质子交换膜燃料电池

ProtonExchangeMembranesFuelCells，PEMFC

聚合物电解质膜燃料电池

PolymerElectrolyteMembranesFuelCells,PEMFC7/527质子交换膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）普通化学电源隔膜：多孔隔膜，隔断作用质子交换膜：选择性经过膜，隔断、电解质作用惯用膜：全氟高聚物——全氟磺酸膜；（CF2CF2）m（CF-CF2）nOCF2CFCF3OCF2CF2SO3H（CF2CF2）m（CF-CF2）nOCF2CF2SO3HNafion膜Dow膜8/528PEMFC特点催化剂：Pt阴极催化剂——催化剂载体、催化剂（其它廉价）阳极催化剂——CO中毒优点：功率密度高能量转换效率高（理论83%，实际40%）低温开启（80℃）环境友好（H2、氧、水）缺点：使用液体燃料难度较大（当前）、催化剂价格高（Pt）9/529直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCells，DMFC）10/5210直接甲醇电池燃料研究（1）性能研究：温度（80℃），压力，Nafion类型、甲醇浓度；（2）新型质子交换膜：防甲醇渗透、价格。（3）甲醇渗透；（4）催化剂：Pt、Pt-Ru（铂-钌二元合金）、三元合金11/5211磷酸燃料电池（PhorphoricAcidFuelCells，PAFC）磷酸燃料电池是当前应用最多分布式燃料电站。全世界有200多座200kWPAFC电站在运行。12/5212磷酸燃料电池电解质：碳化硅和聚四氟乙烯制成微孔隔膜，浸泡浓磷酸制成。

催化剂：Pt，炭黑载体双极板：石墨温度：200℃效率：理论80%，实际55%可用燃料：甲烷、天然气、氢气13/5213熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonFuelCell，MCFC）Key：二氧化碳循环系统14/5214MCFC特征温度：650℃双极板：1mm厚度以下316不锈钢；催化剂：Ni，氧化锰为载体；效率：理论78%，实际50~65%可用物料：甲烷、天然气、煤气、氢气15/5215固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCells，SOFC）离子传导陶瓷16/5216固体氧化物燃料电池特征温度：600~1000℃电解质：氧化钇和氧化锆混合（萤石结构，传递氧离子）掺杂镓酸镧（钙钛矿结构，传递氢离子）氧化铈（CeO2，阳离子、质子共传导）可用燃料：氢气、甲烷、天然气、合成气等电极：阴极-锶掺杂锰酸镧；阳极-镍-YSZ陶瓷17/5217可逆式再生燃料电池18/521819/5219直接炭燃料电池20/5220燃料电池系统21/5221应用22/5222燃料电池将成为化石燃料替换品之一23/5223本章复习制氢方法24/5224生物制氢25/5225光反应主要蛋白舞台主演配角26/5226光吸收与传递色素分子能态激发态命运1.放热2.发射荧光与磷光3.色素分子间能量传递

4.光化学反应27/5227原初反应是指从光合色素分子被光激发，到引发第一个光化学反应为止过程。物理过程：光吸收：天线色素传递：激子传递、共振传递化学过程：电子传递

p680→p680*→p680+28/522829/522930/5230电子传递过程能态改变31/5231电子传递类型依据电子传递到Fd后去向，将光合电子传递分为三种类型：非环式、环式和假环式。非环式32/5232环式环式电子传递不发生H2O氧化，也不形成NADPH，但有H+跨膜运输，可产生ATP，每传递一个电子需要吸收一个光量子。环式电子传递多存在于无PSⅡ生物中。33/5233光裂解产氢原理经典微生物：绿藻、蓝藻（蓝细菌）？H2固氮酶氢酶ADP+Pi34/523435/5235氮饥饿状态下固氮酶产氢N2+8e+8H++16ATP2NH3+16ADP+16Pi固氮酶2e+2H++4ATPH2+4ADP+4Pi固氮酶Key：厌氧环境蓝藻产氢机制36/5236吸氢酶——固氮蓝藻中可逆氢酶呼吸作用NADPH

+H+

NADP暗反应糖呼吸作用H2固氮酶吸氢酶氢酶对氧敏感37/5237光合细菌产氢——光发酵作用质子和电子源自呼吸链经典代表：紫色硫细菌紫色非硫细菌38/5238暗发酵法制氢丙酮酸脱氢路径葡萄糖丙酮酸EMP39/5239暗发酵法制氢甲酸裂解路径辅酶Ⅰ氧还平衡调整产氢40/5240暗发酵过程NADH产生41/5241产氢产乙酸菌产氢作用丙酸CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+CO2+3H2丁酸CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2乙醇CH3CH2OH+2H2OCH3COOH+CO2+2H2乳酸CH3CHOHCOOH+H2OCH3COOH+CO2+H276.1kJ/mol48.119.2发酵法制氢优势①发酵法生物制氢技术产氢稳定性好②发酵产氢细菌产氢能力较高③发酵细菌生长速率快；④制氢成本低42/5242变压吸附法（PressureSwingAdsorption，PSA）吸附→降压解吸→逐层升压→吸附，各塔轮换操作43/5243膜分离技术高分子膜、金属膜（钯）氢经过钯膜分离过程①一次侧（高压侧）分子氢吸附到钯表面；②氢离解，形成原子氢；③氢原子在渗透压作用下在膜中扩散；④钯催化能量使原子氢会合成份子氢；⑤分子氢脱离膜。44/5244膜反应器结合改质反应和氢分离于一体：促进反应平衡，降低反应温度。700~800℃→500~550℃45/52453.3.2氢存放氢体积能量密度是天然气1/3，石油1/3000.氢密度（g/L）氢含量（wt%）氢气（标准状态）压缩氢气（35MPa）液态氢（20K）氢吸储合金（LaNi5H6）0.0924711051001001001.4压力（MPa）0.101310253570100压缩因子11.0651.1661.2361.4891.702氢气压缩因子：实际体积和理想体积比值46/5246吸储材料储氢物理吸附材料（多孔材料——吸附、晶格吸储——石墨、合金）化学反应材料（金属，催化可逆吸氢）高压氢气与吸储材料复合式储氢47/5247气化原理48/5248气化设备生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉单流化床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉携带床气化炉上吸式气化炉开