氫能與燃料電池ppt課件

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第十章 氫能與燃料電池,席反應。使用 PowerPoint 可以跟蹤演示時的即席反應， 在幻燈片放映中，右鍵單擊鼠標 請選擇“會議記錄” 選擇“即席反應”選項卡 必要時輸入即席反應 單擊“確定”撤消此框 此動作將自動在演示文稿末尾創(chuàng)建一張即席反應幻燈片，包括您的觀點。,氫能:一種新的清潔的二次能源。 電能、汽油、柴油、酒精:傳統(tǒng)的二次能源。 氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)和可再生利用，同時 對環(huán)境友好，基本上沒有環(huán)境污染。 氫能源正處于技術開發(fā)階段。到本世紀中葉，氫有可能 將取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一。,1,10.1 氫元素和氫能,氫的物理化學性質 氫是已知元素中最輕的元素，原子量1.008。在常溫下是氣體，沸點-252.87℃，凝固點-259.14℃。 氫氣在常溫下為無色無臭的氣體，密度是空氣0.0689倍。氫氣的導熱性很高。固態(tài)氫具有金屬性和超導性。氫能是由氫元素燃燒或化學反應時所釋放出的能量，主要以熱能或化學能的形式出現(xiàn)。,2,圖10-1 未來能源結構體系的展望,氫氣燃燒的特點 發(fā)熱值高； 點燃快，燃點高，燃燒性能好,燃燒效率高； 是一種清潔燃料。,3,10.2 氫的制備,通常所指的氫能，指游離的分子氫H2所具有的能量。雖然地球上氫元素含量十分豐富，但是游離的分子氫卻十分的稀少。大氣中游離的H2僅有二百萬分之一。 氫通常以化合物的形態(tài)存在于水、生物質和礦物質燃料中。要從這些物質中獲得氫，需要消耗大量的能量。因此，為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應用，最關鍵的是要找到一種廉價低能耗的制氫方法。,4,制備氫的四種方法: 甲烷或碳與水蒸氣反應制氫 采用煤、石油或天然氣等化石燃料，在高溫下與水蒸氣發(fā)生催化反應，其反應方程為：,甲烷催化水蒸氣重整反應,煤氣化制氫反應,甲醇催化裂解反應,5,電解水制氫 利用外加電能對水進行電解來產(chǎn)生氫氣。電解的反應為：,圖10-2 電解水制氫原理,陽極,陰極,電池反應,,,,6,熱化學制氫 從水中制氫，也可以通過高溫化學反應的方法進行。按照反應中所涉及的中間載體物料，可以分成氧化物體系、鹵化物體系、含硫體系和雜化物體系四種反應體系。,,各種體系的反應過程可以寫成一種通用形式：,總反應為,,,7,固體生物質制氫 固體生物質制氫的基本工藝為：將生物質氣化或熱裂解，生成合成氣。合成氣中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生催化重整反應，生成H2和CO2。,,整個反應式為：,,,,,8,另外，還有以下兩種制氫方法： 核能熱利用制氫 利用核反應堆生成的熱能或電能作為能源來進行制氫。 太陽能制氫 太陽能熱分解水制氫 太陽能電解水制氫 太陽能直接光解水制氫 人工光合成作用制氫 生物制氫 太陽能半導體光催化制氫,9,10.3 氫的儲存,由于氫的質量小，常溫下是氣態(tài)，其單位體積的含能量要比常規(guī)能源小得多，且易燃（4％－75％）、易爆（15％－59％）。當作為燃料時，又具有分散性和間斷使用的特點，因此氫的存儲難度很大。 目前可以采用的儲氫方法有下列幾種：,10,高壓儲存 將氫氣壓縮成高壓（15－40MPa），裝入鋼瓶中儲存和運輸。常用的壓縮機有離心式、輻射式和往復活塞式，其中離心式處理量最大。 儲氫容器可分為四類，即： 1、全金屬容器； 2、可承重的金屬材料作襯里，外包飽和樹脂纖維的容器； 3、不可承重的金屬材料作襯里，外包飽和樹脂纖維； 4、全非金屬容器。壓力為35MPa的由碳化纖維制成的高壓氣瓶已足夠汽車使用。,,11,液態(tài)儲存 將氫氣冷卻到20K左右，氫氣將被液化，體積大大縮小，然后儲存在絕熱的低溫容器中。液態(tài)氫的體積含能量很高，常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，液氫的體積能量密度比高壓氣態(tài)貯存高好幾倍，已在宇航中作為燃料獲得應用。 氫氣液化裝置主要包括加壓器、換熱器、膨脹機和節(jié)流閥。最常用的氫液化循環(huán)是林德（Linde）循環(huán)或節(jié)流循環(huán)。,,,,,12,固態(tài)金屬氫化物儲氫 由于氫和氫化金屬之間可以進行可逆反應，當氫和氫化金屬形成氫化物時，氫就以固態(tài)的形式存儲于氫化物中。當需要用氫時，通過加熱，氫化物就可以放出氫氣。目前已經(jīng)發(fā)展的氫化金屬有Li、Mg和Ti的合金，如Mg2NiH4和FeTiH1.95等。 金屬氫化物儲氫安全、儲存容量大、使用方便、運輸簡單，是氫氣儲存中最方便且最有發(fā)展前景的一種儲氫方法。,,,,,,13,,,,,,其他儲氫方法 配位氫化物儲氫 有機物儲氫 玻璃微球儲氫 地下儲氫 物理吸附儲氫,14,10.4 燃料電池的基本原理,燃料電池的特點 燃料電池的能量轉換效率高，不受卡諾效率限制。 清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設備、沒有SO x、NO x氣體和固體粉塵的排放。 可靠性和操作性良好，噪聲低。 所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。,15,燃料電池的組成和工作原理 燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質和外電路。燃料電池中的電解質有不同的種類。,,圖10－3 燃料電池的基本單元,16,燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例） （1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應： （2）氫離子穿過電解質到達陰極。電子則通過外電路及負 載也達到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應式為： （3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應為： 伴隨著電池反應，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。,,,17,對于不同的電解質，燃料電池中發(fā)生的電化學反應也不一 樣。,,圖10－4 不同電解質類型的電化學反應原理圖,,18,燃料電池的電能轉化效率和電池電動勢隨電池的工作溫度 和壓力的變化而變化,,圖10-5 可逆氫－氧燃料電池效率和電動勢曲線,,,19,電池極化 對于實際電池來說，當電流通過電池時，電極上會發(fā)生一系列物理、化學過程，例如氣體擴散、吸附、溶解等。這些過程都會產(chǎn)生阻力，電池反應要進行下去，就必須消耗一部分自身能量去克服這些阻力。因此實際的電極電位就低于可逆理想電位。這種現(xiàn)象稱為電池極化。 電池極化是由于電池中有凈電流通過時所產(chǎn)生的電化學現(xiàn)象。極化可以分成三類： 活化極化εact 濃差極化εcon 歐姆極化εΩ,,20,,,圖10－6 典型的燃料電池極化曲線,21,燃料電池效率 燃料電池效率是反應其在能量轉換過程中能量損 失大小的一個量。燃料電池效率的定義為 ：,,,,,燃料在可逆過程中，燃料電池的理想效率（熱力學效率）為：,22,燃料電池中的催化作用 燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學反應中電荷轉移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質的分界面上。 催化劑是一類可產(chǎn)生電催化作用的物質。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。 *評價催化劑的主要技術指標為穩(wěn)定性、電催化活性、電 導率和經(jīng)濟性。,,,,23,10.5 燃料電池的分類及特征,燃料電池按電解質的不同，可以分成五類： 堿性燃料電池（AFC） 磷酸型燃料電池（PAFC） 固體氧化物燃料電池（SOFC） 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） 質子交換膜燃料電池（PEMFC） 按工作溫度的不同,燃料電池可分成低溫、中溫和高溫三類。,24,堿性燃料電池（AFC） AFC的工作原理：基本上是水電解的逆過程。它以氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質，溶液的質量分數(shù)一般為30％～45％，最高可達80％。 AFC燃料電池的電化學反應為 陽極反應 陰極反應 整個電池反應,,,,,,,,25,AFC電池結構 電解質保持在多孔體中的基體型?；w主要是石棉膜，它飽吸KOH溶液。電池成多孔疊層結構 自由電解質型。電解質是自由流體，電池設有電解質循環(huán)系統(tǒng)，可以在電池外部冷卻電解質和排出水分。電極以電解液保持室隔板的形式粘結在塑料制成的電池框架上，然后再加上鎳隔板做成的雙極板，構成單電池。,,,26,,1－氧支撐板 2－氧蜂窩（氣室） 3－氧電極 4－石棉膜 5－氫電極 6－氫蜂窩（氣室） 7－氫支撐板 8－排水膜 9－排水膜支撐板 10－除水蜂窩（蒸發(fā)室） 11－除水蜂窩板,圖10－7 靜態(tài)排水的氫氧隔膜型燃料電池單體示意圖（基本型）,27,,圖10－8 堿性燃料電池的結構（自由電解質型）,28,,圖10－9 培根AFC電池系統(tǒng),29,磷酸型燃料電池（PAFC） PAFC以磷酸水溶液為電解質，重整氣為燃料，以空氣為氧化劑。 PAFC燃料電池中的電化學反應為 陽極反應 陰極反應 整個電池反應,,,,,,,,,30,PAFC的基本構造,,,,,,圖10－10 磷酸型燃料電池的基本構造,31,,圖10—11 美國40KW PAFC電站系統(tǒng)工藝流程圖,32,固體氧化物燃料電池（SOFC） SOFC以重整氣（H2+CO）為燃料，空氣為氧化劑。采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基固體電解質。 SOFC電池反應：,,,,,圖10－12 SOFC電池反應,,33,SOFC電池的工作過程與其他燃料電池有所不同。由于固體電解質不允許電子和氫離子通過，而只允許帶負電的氧離子通過，因此它的電池反應為 陽極反應 陰極反應 整個電池反應為,,,,,,,,,,34,SOFC電池的結構 薄膜型板式 管式,,,,,,圖10-13 SOFC單電池的結構型式簡圖：(a)管式；(b)平板式,,,35,,圖10—14 世界上第一套SOFC和微型燃氣輪機復合的發(fā)電系統(tǒng)示意圖,36,熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） MCFC采用堿金屬鋰（Li）、鈉（Na）和鉀（K）的碳酸鹽 為電解質，以H2和CO2為燃料氣，O2和CO2為氧化劑。由于 MCFC中陽極生成而陰極消耗，所以電池中需要CO2的循環(huán)系 統(tǒng)。,,,,,,圖10—15 MCFC電池中CO2循環(huán)示意圖,,,37,,,,,,,,熔融碳酸鹽燃料電池的電化學反應為： 陽極反應： H2+ CO32 -→H2O+CO2+2e CO+ CO32 -→CO2+2e 陰極反應： CO2+1/2O2+2e→CO32- 整個電池反應： H2+1/2O2+CO2(a)→H2O+CO2(c),38,MCFC燃料電池的結構,,,,,,圖10-16 MCFC燃料電池結構示意圖,,,,39,,圖10—17 MCFC發(fā)電廠流程圖,,40,質子交換膜燃料電池（PEMFC） PEMFC以固體電解質膜為電解質。電解質不傳導電子，是氫離子的良導體。PEMFC采用氫氣、液態(tài)烴或甲醇作為燃料，氧或空氣作為氧化劑。 PEMFC電池的工作原理是：氫氣和氧氣通過雙極板的導氣通道分別到達電池的陽極和陰極，再通過電極上的擴散層到達質子交換膜。,,,,,41,,,,,,質子交換膜燃料電池的電化學反應為： 陽極反應： 陰極反應： 整個電池反應為：,42,,,,,,圖10－18 PEMFC剖面圖,,,,43,PEMFC的電極常被稱 為膜電極組件，它是 指質子交換膜和其兩 側各一片多孔氣體擴 散電極（涂有催化劑 的多孔碳布）組成的 陰、陽極和電解質的 復合體。,,圖10－19 膜電極結構示意圖,44,,圖10－20 常見的PEMFC雙極板流道設計,,,45,PEMFC的單電池結構,,圖10－21 PEMFC的單電池結構圖,46,,圖10－22 典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖,47,直接甲醇燃料電池（DMFC）,,圖10－23 DMFC結構示意圖,直接甲醇燃料電池的全稱應為直接甲醇質子交換膜燃料電池，其工作原理與常規(guī)的以氫為燃料的質子交換膜燃料電池基本相同，不同之處在于DMFC的燃料為甲醇（可以是氣態(tài)或液態(tài)，但主要是液態(tài)），氧化劑仍是氧或空氣。工作溫度50～100℃。,48,DMFC的電化學反應為： 陽極反應： 陰極反應： 整個電池反應：,49,10.6 燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景,發(fā)展概況 發(fā)展歷程 1839年,英國人 W.Grove發(fā)明燃料電池。 20世紀初，Nernst、Harber等人對直接碳——氧燃料電池進行了研究。 上世紀60年代以后，由于空間計劃的發(fā)展，燃料電池逐漸成為各國的研究熱點。 70年代中期，磷酸型燃料電池開始取代堿性燃料電池，成為發(fā)電的主要形式之一。 ……,50,燃料電池的關鍵技術 電催化過程的機理和新型高效電極催化劑的研制； 電解質和集流體材料的研究開發(fā)以及它們與電極的緊密接觸問題； 燃料電池中的水管理和熱管理，相應的排水、排熱以及余熱綜合利用技術； 燃料的來源及其儲存問題；,51,燃料電池的應用前景 燃料電池電站 車載燃料電池 微小型便攜式燃料電池,,,,,52,