1、新能源與分布式發(fā)電技術新能源與分布式發(fā)電技術制作人：制作人：朱永強朱永強, , 丁澤俊丁澤俊, , 許許 郁郁華北電力大學華北電力大學新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池震驚世界的爆炸震驚世界的爆炸讀一下教材第讀一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受到氫能的巨章的引例故事，相信你一定能感受到氫能的巨大威力大威力如果氫的能量只被用于改善人類的生存和生活條如果氫的能量只被用于改善人類的生存和生活條件，那么將是人類的一大福音。件，那么將是人類的一大福音。 新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8 氫能與燃料電池氫能與燃料電池關注的問題關注的問

2、題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應該如何保存？氫氣應該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？燃料電池是怎樣工作的？燃料電池有哪些類型？燃料電池有哪些類型？各種燃料電池的原理和特點？各種燃料電池的原理和特點？燃料電池可以在哪些場合應用？燃料電池可以在哪些場合應用？教學目標教學目標了解氫和氫能的特點及其利用情況，了解氫和氫能的特點及其利用情況，掌握主要的氫的制取和儲存方式，掌握主要的氫的制取和儲存方式，了解燃料電池的工作原理和主要類型，了解燃料電池的工作原理和主要類型，理解燃料電池的特點和應用價值。理解燃料電池的特點和應用價值。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫

3、能與燃料電池氫能與燃料電池8.1 氫和氫能概述氫和氫能概述8.1.1 氫和氫能氫和氫能氫是宇宙中氫是宇宙中最豐富的元素最豐富的元素，在地球上的含量排，在地球上的含量排第三第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物化合物形態(tài)存形態(tài)存在，主要存在在，主要存在水水中。中。若把全球水中的氫都提煉出來，約有若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億噸，所產(chǎn)生的熱億億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上量是地球上化石燃料的化石燃料的9000倍倍。氫在元素周期表中排在首位，是已知氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素最輕的元素。標準狀態(tài)。標準狀態(tài)下，氫氣為下，氫氣為無

4、色無味的氣體無色無味的氣體，密度是空氣的，密度是空氣的1/14.5。發(fā)現(xiàn)故事：發(fā)現(xiàn)故事：氫的發(fā)現(xiàn)和命名氫的發(fā)現(xiàn)和命名新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.1.2 氫能及其利用方式氫能及其利用方式氫能氫能主要是指氫元素主要是指氫元素燃燒燃燒、發(fā)生、發(fā)生化學反應化學反應或或核聚變核聚變時釋放的時釋放的能量。能量。想一想：氫能是一次能源還是二次能源？想一想：氫能是一次能源還是二次能源？利用氫能的方式利用氫能的方式很多，包括：很多，包括：直接作為燃料直接作為燃料提供熱能提供熱能或在熱力或在熱力發(fā)動機中做功發(fā)動機中做功；制造制造燃料電池燃料電池，在催化劑作用下進行化學反應生

5、產(chǎn)電能；，在催化劑作用下進行化學反應生產(chǎn)電能；利用氫的利用氫的熱核反應熱核反應釋放出核能；等等。釋放出核能；等等。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（1）氫燃料）氫燃料氫的氫的含熱量很高含熱量很高，燃燒時釋放熱量，燃燒時釋放熱量140MJ/kg。氫氣氫氣燃燒性能燃燒性能好，點燃快，燃點高，混入好，點燃快，燃點高，混入4%74%的空氣時的空氣時仍能穩(wěn)定燃燒。仍能穩(wěn)定燃燒。氫是氫是最清潔最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫。氮化的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫。氮化氫經(jīng)適當處理后也不污染環(huán)境。氫經(jīng)適當處理后也不污染環(huán)境。將來，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛

6、的燃料之一。將來，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一。8.1.2 氫能及其利用方式氫能及其利用方式新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（2）氫的核聚變）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎是愛因斯坦的氫的核能利用，理論基礎是愛因斯坦的相對論相對論。發(fā)生質量虧。發(fā)生質量虧損時釋放出的能量為損時釋放出的能量為E = mc2。1g1g的氫聚變?yōu)楹ぃ|量損失的氫聚變?yōu)楹ぃ|量損失0.711%0.711%，能釋放多少能量？，能釋放多少能量？氫的氫的核聚變能量核聚變能量比鈾原子核裂變釋放的能量大若干倍。比鈾原子核裂變釋放的能量大若干倍。且核且核聚變過程中聚變過程中沒有放射性

7、沒有放射性，對環(huán)境，對環(huán)境無污染無污染。一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問題將得一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問題將得到根本的解決。到根本的解決。8.1.2 氫能及其利用方式氫能及其利用方式新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（3）氫燃料電池）氫燃料電池參見后面參見后面燃料電池燃料電池的內容。的內容。8.1.2 氫能及其利用方式氫能及其利用方式氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，基本無氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，基本無污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價值。污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價值。新能源與分布式發(fā)電新能源與分

8、布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池16世紀世紀就有人在就有人在金屬與酸金屬與酸的反應中的反應中得到過氫氣得到過氫氣。1766年年有論文詳細介紹了氫氣的有論文詳細介紹了氫氣的制備方法和性質制備方法和性質。1938年年，有人提出以氫為，有人提出以氫為航空器燃料航空器燃料的設想。的設想。1950s，加拿大嘗試把氫作為，加拿大嘗試把氫作為普通內燃機燃料普通內燃機燃料，美國開始研究，美國開始研究用用液氫液氫作為軍用飛機的作為軍用飛機的飛行燃科飛行燃科。8.1.3 氫能的應用歷史氫能的應用歷史由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛的用于衛(wèi)星和航由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛的用于衛(wèi)星和航天器的天

9、器的火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機中。中。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池1960s1960s以后，以后，燃料電池燃料電池發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個新的領域。新的領域。以以液氫為原料液氫為原料的燃料電池的燃料電池電動車電動車，已進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。，已進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。8.1.3 氫能的應用歷史氫能的應用歷史氫能和平利用的氫能和平利用的終極夢想終極夢想就是受控的就是受控的氫核聚變氫核聚變。其原料可直。其原料可直接取自海水中的氘。接取自海水中的氘。科學家預測，科學家預測，氫能和電能氫能和電能將成為未來能源體系的將成為未來能源體系的

10、兩大支柱兩大支柱。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.2 氫的制取氫的制取氫能氫能，通常指游離的，通常指游離的分子氫分子氫H2所具有的能量。所具有的能量。地球上的氫元素相當豐富，但地球上的氫元素相當豐富，但游離態(tài)的很稀少游離態(tài)的很稀少。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質和礦物質燃料中。從氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質和礦物質燃料中。從這些物質中獲取氫，需要消耗大量的能量。這些物質中獲取氫，需要消耗大量的能量。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（1）煤為原料制氫）煤為原料制氫煤制氫的本質是煤制氫的本質是用碳置換用碳置換水中的水中的

11、氫氫，生成，生成H2和和CO2。發(fā)生的發(fā)生的化學反應是化學反應是C+2H2OCO2+2H2方法主要有兩種：方法主要有兩種：一是煤的焦化一是煤的焦化，隔絕空氣隔絕空氣以以9001000高溫高溫制取制取焦碳焦碳，副產(chǎn)，副產(chǎn)品為品為焦爐煤氣（含焦爐煤氣（含5560的氫氣）的氫氣）。二是煤的氣化二是煤的氣化，在高溫下與，在高溫下與水蒸汽水蒸汽或或氧氣氧氣(空氣空氣)等發(fā)生反應轉等發(fā)生反應轉化成氣體產(chǎn)物。氫氣含量與氣化方法有關。化成氣體產(chǎn)物。氫氣含量與氣化方法有關。8.2.1 化石燃料制化石燃料制氫氫新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（2）天然氣制氫）天然氣制氫天然氣的主要

12、成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉化天然氣蒸汽轉化制氫，其化學反應為制氫，其化學反應為CH4 + 2H2O 4H2 +CO2這種傳統(tǒng)制氫過程伴有大量的二氧化碳排放。這種傳統(tǒng)制氫過程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷甲烷(催化催化)高溫裂解制氫高溫裂解制氫，制取，制取H2的同時，還能得到碳，而的同時，還能得到碳，而不向大氣排放不向大氣排放CO2。該法技術簡單，但是制造成本不低。該法技術簡單，但是制造成本不低。8.2.1 化石燃料制化石燃料制氫氫新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（3）重油部分氧化制氫）重

13、油部分氧化制氫重油部分氧化重油部分氧化過程中碳氫化合物與過程中碳氫化合物與O2、水蒸氣反應生成、水蒸氣反應生成H2和和CO2。要在要在一定的壓力一定的壓力下進行，可能還需要采用催化劑。下進行，可能還需要采用催化劑。制得的制得的氫主要來自水蒸氣氫主要來自水蒸氣。8.2.1 化石燃料制化石燃料制氫氫目前，氫氣大多是以目前，氫氣大多是以石油、天然氣和煤石油、天然氣和煤為主要原料制取的。為主要原料制取的。化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會排放大量的溫室氣體排放大量的溫室氣體，對，對環(huán)境不利。環(huán)境不利。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池氫大多存在水

14、中，將水分解制取氫氣是最直接的方式。氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式。8.2.2 水分解制水分解制氫氫（1）電解水制氫）電解水制氫水的水的電解過程電解過程就是在就是在導電的水溶液導電的水溶液中通中通電電，將水分解成，將水分解成H2 和和O2。其反應式為：其反應式為：水電解操作簡便，制得的水電解操作簡便，制得的氫氣純度高氫氣純度高，但需，但需消耗電能消耗電能。常壓下電解制氫的能量效率一般在常壓下電解制氫的能量效率一般在70%左右。為提高效率，左右。為提高效率，通常在通常在3.05.0MPa的壓力下進行。的壓力下進行。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（

15、2）高溫水蒸氣分解制氫）高溫水蒸氣分解制氫水直接分解需要水直接分解需要2227以上的溫度，工程實現(xiàn)難度很大。為以上的溫度，工程實現(xiàn)難度很大。為降低分解溫度，可采用多步驟熱化學反應制造氫氣。降低分解溫度，可采用多步驟熱化學反應制造氫氣。其化學反應通式為其化學反應通式為X為為中間媒體中間媒體，僅參與反應，并不消耗，但是因其反應呈氣態(tài)，僅參與反應，并不消耗，但是因其反應呈氣態(tài)，很易和氧氣發(fā)生反應而重新生成氧化物。因此，需將它們從很易和氧氣發(fā)生反應而重新生成氧化物。因此，需將它們從產(chǎn)物中分離出來。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量。產(chǎn)物中分離出來。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量。8.2.2 水分解制水分解

16、制氫氫新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（3）等離子體制造氫氣過程）等離子體制造氫氣過程用用電場電弧電場電弧能將水加熱到能將水加熱到5000，分解成，分解成H、H2、O、O2、OH和水。和水。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須使氫不再和氧結合。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須使氫不再和氧結合。該過程該過程能耗很高能耗很高，因而制氫，因而制氫成本很高成本很高。8.2.2 水分解制水分解制氫氫我國的氫氣生產(chǎn)，除了用我國的氫氣生產(chǎn)，除了用化石燃料化石燃料以外，其余的主要都通過以外，其余的主要都通過水電解法水電解法生產(chǎn)。不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。生產(chǎn)。不產(chǎn)生

17、溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。趣聞：趣聞：神秘的海面大火神秘的海面大火新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（1）生物質氣化制氫）生物質氣化制氫將生物質原料將生物質原料壓制成型壓制成型，在，在氣化爐氣化爐（或裂解爐）中進行反應（或裂解爐）中進行反應制得制得含氫的混合燃料氣含氫的混合燃料氣。其中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生反應，生成其中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生反應，生成H2 和和CO2（參（參見天然氣制氫）見天然氣制氫）。8.2.3 生物制生物制氫氫新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（2）微生物制氫）微生物制氫在常溫常壓下利用在常溫常壓下利用

18、微生物微生物進行進行酶催化酶催化反應制得氫氣。反應制得氫氣。用于制氫的微生物有兩大類：用于制氫的微生物有兩大類：光合細菌光合細菌或藻類，或藻類，在光照作用下使有機酸分解出在光照作用下使有機酸分解出H2和和CO2；厭氧菌厭氧菌，利用碳水化合物及蛋白質等，利用碳水化合物及蛋白質等，發(fā)酵產(chǎn)生發(fā)酵產(chǎn)生H2、CO2和有機酸。和有機酸。江河湖海中的某些藻類、細菌，有這種功能。江河湖海中的某些藻類、細菌，有這種功能。8.2.3 生物制生物制氫氫新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（1）間接制氫）間接制氫太陽能間接制氫法主要是太陽能間接制氫法主要是太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電電解水制氫電解

19、水制氫。未來未來規(guī)模化規(guī)模化制氫最具有吸引力且最具現(xiàn)實意義的途徑。制氫最具有吸引力且最具現(xiàn)實意義的途徑。8.2.4 太陽能制太陽能制氫氫（2）直接制氫）直接制氫（兩種方法）（兩種方法）熱分解法熱分解法，用用太陽能太陽能直接直接裂解水裂解水，得到氫和氧。須將水加熱至，得到氫和氧。須將水加熱至很高溫度，反應才有實際應用的可能，困難較大。很高溫度，反應才有實際應用的可能，困難較大。光分解法光分解法，光量子光量子可使水等含氫化合物分子中氫鍵斷裂，效率可使水等含氫化合物分子中氫鍵斷裂，效率較低。較低。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.3 氫的儲存氫的儲存氫能的儲存很關鍵

20、，是目前氫能開發(fā)的主要技術障礙。氫能的儲存很關鍵，是目前氫能開發(fā)的主要技術障礙。標準狀態(tài)下標準狀態(tài)下氫的密度氫的密度是是空氣的空氣的1/14.5，氫氣氫氣很難高密度很難高密度儲存。儲存。而且，氫還是而且，氫還是易燃易燃、易爆易爆的高能燃料。的高能燃料。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池安全性安全性最重要，不過在設計時都會充分考慮，并且在使用中多最重要，不過在設計時都會充分考慮，并且在使用中多能夠滿足。能夠滿足。單位質量儲氫密度單位質量儲氫密度，即，即儲氫質量儲氫質量與整個與整個儲氫單元儲氫單元的的質量之比質量之比，是衡量氫氣儲運技術是否先進的主要指標。是衡量氫氣儲

21、運技術是否先進的主要指標。8.3.1 對儲氫系統(tǒng)的要求對儲氫系統(tǒng)的要求儲氫設備儲氫設備使用的方便性使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氫氣的時也是很重要的要求，例如充放氫氣的時間、使用的環(huán)境溫度等。間、使用的環(huán)境溫度等。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池可以像天然氣一樣用可以像天然氣一樣用密封罐密封罐低壓儲存，不過因氫氣密度太低，低壓儲存，不過因氫氣密度太低，只只適合大規(guī)模儲存適合大規(guī)模儲存，應用不多。，應用不多。一般將氫氣壓縮到一般將氫氣壓縮到1540MPa高壓高壓，裝入鋼瓶中儲存和運輸。，裝入鋼瓶中儲存和運輸。8.3.2 氫氣的儲存氫氣的儲存新型復合高壓氫氣

22、瓶新型復合高壓氫氣瓶（耐壓（耐壓35MPa）儲氫密度可達）儲氫密度可達2%。高壓儲氫高壓儲氫動態(tài)響應最好，能瞬間通斷，實際使用最廣泛。動態(tài)響應最好，能瞬間通斷，實際使用最廣泛。不過不過有安全隱患有安全隱患。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池氫氣在氫氣在-252.7低溫下可以變?yōu)橐后w。液體的氫可以儲存在絕低溫下可以變?yōu)橐后w。液體的氫可以儲存在絕熱的低溫容器中。熱的低溫容器中。液氫的液氫的單位體積含能量很高單位體積含能量很高，比高壓氣態(tài)儲存高好幾倍。，比高壓氣態(tài)儲存高好幾倍。液氫的理論體積密度只有液氫的理論體積密度只有70kg/m3。考慮容器和附件的體積，。考慮容器和

23、附件的體積，儲氫密度儲氫密度還遠達不到這一數(shù)值。還遠達不到這一數(shù)值。液氫儲運的最大液氫儲運的最大優(yōu)點優(yōu)點是是質量儲氫密度高質量儲氫密度高，目前可做到，目前可做到5%以上，以上，存在的存在的問題問題是是蒸發(fā)損失蒸發(fā)損失與與成本成本問題。問題。8.3.3 液液氫的儲存氫的儲存大的液氫儲罐存在大的液氫儲罐存在熱分層問題熱分層問題。因此，大的儲罐都備有緩慢的。因此，大的儲罐都備有緩慢的攪拌裝置攪拌裝置以以阻止熱分層阻止熱分層。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池某些金屬某些金屬具有具有捕捉氫的能力捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，能，在一定的溫度和壓力條件下，能大量大

24、量“吸收吸收”氫氣，發(fā)生化學反應生成氫氣，發(fā)生化學反應生成金屬氫化物金屬氫化物。需要用氫時，可將這些金屬氫化物需要用氫時，可將這些金屬氫化物加熱加熱，使其，使其分解分解，將儲存在，將儲存在其中的其中的氫釋放氫釋放出來。出來。金屬氫化物的金屬氫化物的儲氫容量較大儲氫容量較大，相同溫度、壓力，體積儲氫密度，相同溫度、壓力，體積儲氫密度是氫氣的是氫氣的1000倍。倍。由于由于儲存容量大儲存容量大、儲運安全方便儲運安全方便等優(yōu)點，金屬氫化物儲氫可能等優(yōu)點，金屬氫化物儲氫可能最有發(fā)展前景。最有發(fā)展前景。8.3.4 固體金屬氫化物儲存固體金屬氫化物儲存新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能

25、與燃料電池（1）有機物儲氫）有機物儲氫主要是主要是苯苯和和甲苯甲苯，與氫反應生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷，在，與氫反應生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應又可產(chǎn)氫。、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應又可產(chǎn)氫。此方式有此方式有儲氫量大、能量密度高、儲存設備簡單儲氫量大、能量密度高、儲存設備簡單等特點，而且等特點，而且還能多次循環(huán)利用。還能多次循環(huán)利用。不過這種儲氫方式不過這種儲氫方式加氫時放熱量大加氫時放熱量大、脫氫時能耗高脫氫時能耗高，在很大程，在很大程度上限制了它的應用。度上限制了它的應用。8.3.5 研究中的儲氫新方法研究中的儲氫新方法新能源與分布式發(fā)電新能源與分

26、布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池（2）地下壓縮儲氫）地下壓縮儲氫是一種是一種長期大量儲氫長期大量儲氫的主要方法。的主要方法。多孔、水飽和的巖石多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴散的介質。但地下儲是理想的防止氫氣擴散的介質。但地下儲存的氫氣大約有存的氫氣大約有50%左右會滯留在巖洞中，難于被釋放出來。左右會滯留在巖洞中，難于被釋放出來。8.3.5 研究中的儲氫新方法研究中的儲氫新方法（3）碳質儲氫材料）碳質儲氫材料一直為人們所關注。一直為人們所關注。主要是主要是高比表面積活性炭高比表面積活性炭等。特殊加工后的高比表面積活性炭，等。特殊加工后的高比表面積活性炭，在在2-4MPa和超低溫下，質

27、量儲氫密度可達和超低溫下，質量儲氫密度可達5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應用。低溫條件限制了它的廣泛應用。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池燃料電池的研究已有燃料電池的研究已有170多年的歷史。多年的歷史。發(fā)現(xiàn)故事：發(fā)現(xiàn)故事：格羅夫在實驗室里發(fā)現(xiàn)了燃料電池現(xiàn)象。格羅夫在實驗室里發(fā)現(xiàn)了燃料電池現(xiàn)象。1950s，燃料電池的研究得到了迅速發(fā)展。，燃料電池的研究得到了迅速發(fā)展。燃料電池的實際應用開始于燃料電池的實際應用開始于1960s的航天領域。的航天領域。1990s，在膜和催化劑方面所取得的突破性進展，質子交換膜，在膜和催化劑方面所取得的突破性進展，質子交換膜燃料電

28、池獲得了廣泛的研究和開發(fā)。燃料電池獲得了廣泛的研究和開發(fā)。8.4.1 燃料電池的發(fā)展歷史燃料電池的發(fā)展歷史8.4 燃料電池概述燃料電池概述新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池燃料電池燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能化學能轉化為轉化為電能電能的發(fā)電裝置。的發(fā)電裝置。8.4.2 燃料電池的基本原理燃料電池的基本原理燃料電池由燃料電池由陽極陽極、陰極陰極和中間的和中間的電解質電解質及外接及外接電路電路組成。組成。工作時，一般向工作時，一般向陽極供燃料陽極供燃料(氫氫)，向，向陰極供氧化劑陰極供氧化劑(氧氧)。不斷從外部供給

29、燃料和氧化劑，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。不斷從外部供給燃料和氧化劑，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的最主要的燃料燃料是是氫氫。氧化劑是氧氣或空氣。氧化劑是氧氣或空氣。為加速電化學反應，燃料電池的電極上往往都有為加速電化學反應，燃料電池的電極上往往都有催化劑催化劑。催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質和電極之間的催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質和電極之間的接觸截面。這種接觸截面。這種多孔電極稱為多孔電極稱為氣體擴散電極氣體擴散電極。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池由一個陽極、一個陰極和相關的電解質、燃料、空氣通路組成由一個陽極、一個陰極和相關的電解質、燃

30、料、空氣通路組成的最小電池單元稱為的最小電池單元稱為單體電池單體電池；多個單體電池重疊連接形成的整體，稱為多個單體電池重疊連接形成的整體，稱為電堆電堆。實用的燃料電。實用的燃料電池均由電堆組成。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，容量小到為手機供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論。到為手機供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論。8.4.2 燃料電池的基本原理燃料電池的基本原理新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池燃料電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)(參見圖參見圖8.9)，除，除燃料電池本體燃料電池本體(發(fā)電系

31、統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng))外，還外，還有一些有一些外圍裝置外圍裝置，用于，用于燃料重整供應燃料重整供應、氧氣供應氧氣供應、水管理水管理、熱熱管理管理、逆變逆變、控制控制、安全安全等。等。8.4.3 燃料電池系統(tǒng)的構成燃料電池系統(tǒng)的構成這是大容量燃料電池這是大容量燃料電池可能具有的結構可能具有的結構。不同類型、容量和適用。不同類型、容量和適用場合，有些部分可能被簡化甚至取消。場合，有些部分可能被簡化甚至取消。例如微型燃料電池、手機和筆記本電腦的燃料電池。例如微型燃料電池、手機和筆記本電腦的燃料電池。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池與干電池與蓄電池不同，與干電池與蓄電池不同，燃料

32、電池不是能量儲存裝置燃料電池不是能量儲存裝置，而是，而是能能量轉化裝置量轉化裝置。燃料電池具有很多獨特的優(yōu)點：燃料電池具有很多獨特的優(yōu)點：能量轉換效率高。能量轉換效率高。污染物排放少。污染物排放少。能量轉換主裝置無運動部件，設備可靠，噪音極小。能量轉換主裝置無運動部件，設備可靠，噪音極小。資源廣泛，建設靈活。資源廣泛，建設靈活。8.4.4 燃料電池發(fā)電的特點燃料電池發(fā)電的特點新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.5 燃料電池的類型燃料電池的類型（1）堿性燃料電池（）堿性燃料電池（AFC）以以氫氧化鉀氫氧化鉀等堿性溶液為電解質，以高純度等堿性溶液為電解質，以高純度氫

33、氣氫氣為燃料，以為燃料，以純純氧氣氧氣作為氧化劑，工作溫度為作為氧化劑，工作溫度為6080。在所有的應用領域中，在所有的應用領域中，AFC燃料電池都有競爭力。其燃料電池都有競爭力。其低溫快速低溫快速起動起動特性，在很多場合更具優(yōu)勢。特性，在很多場合更具優(yōu)勢。但是由于需要純但是由于需要純H2和和O2作為燃料和氧化劑，氣化凈水和排水作為燃料和氧化劑，氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應用。排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應用。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.5 燃料電池的類型燃料電池的類型（2）磷酸型燃料電池（）磷酸型燃料電池（PAFC）以以磷酸水溶液磷酸水溶液為電解質

34、，以為電解質，以天然氣或甲醇天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃等氣體的重整氣為燃料，以料，以空氣空氣為氧化劑，一般要用為氧化劑，一般要用鉑金鉑金作催化劑。作催化劑。工作溫度工作溫度200，發(fā)電效率，發(fā)電效率30%多，用白金作催化劑，對多，用白金作催化劑，對燃料燃料要求較高要求較高。對燃料氣和空氣中的對燃料氣和空氣中的CO2有耐受力，能適應多種工作環(huán)境。有耐受力，能適應多種工作環(huán)境。世界之最：世界之最：最大的燃料電池系統(tǒng)最大的燃料電池系統(tǒng)新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.5 燃料電池的類型燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以

35、以碳酸鹽碳酸鹽為電解質；以為電解質；以混有混有CO2的的O2為氧化劑；可用重整氣為氧化劑；可用重整氣(含含H2和和CO2)為燃料。電極采用為燃料。電極采用鎳鎳。工作溫度為工作溫度為600700，不需要采用貴金屬作為催化劑不需要采用貴金屬作為催化劑。工作。工作過程中放出的高溫余熱可回收，發(fā)電效率過程中放出的高溫余熱可回收，發(fā)電效率45%60%。基于上述優(yōu)點，基于上述優(yōu)點，MCFC具有具有較好的應用前景較好的應用前景。不過，高溫條件。不過，高溫條件下下電解質的腐蝕性電解質的腐蝕性較強，對電池材料有嚴格要求；而且廢熱回較強，對電池材料有嚴格要求；而且廢熱回收裝置收裝置又大又重又大又重，MCFC只適用

36、于大功率只適用于大功率發(fā)電廠。發(fā)電廠。新能源與分布式發(fā)電新能源與分布式發(fā)電氫能與燃料電池氫能與燃料電池8.5 燃料電池的類型燃料電池的類型（4）固體氧化物型燃料電池（）固體氧化物型燃料電池（SOFC）常采用常采用ZrO2+Y2O3固體電解質，以重整氣為燃料，以固體電解質，以重整氣為燃料，以空氣空氣為氧為氧化劑。多孔電極。化劑。多孔電極。工作溫度最高，約工作溫度最高，約1000，運行壓力，運行壓力0.31.0MPa。高溫下工作，高溫下工作，不需要采用貴金屬作為催化劑不需要采用貴金屬作為催化劑；但采用復合廢熱；但采用復合廢熱回收裝置，體積大，質量重，只適用于大功率發(fā)電廠。回收裝置，體積大，質量重，只適用于大功率發(fā)電廠。國際上正在研發(fā)國際上正在研發(fā)400800中低溫中低