氢能开发 大势所趋 燃料电池 中南大学冶金科学与工程学院.pptVIP

氢气利用与燃料电池 ①氢像电一样可以从任何能源中得到，包括可再生的能源；②氢可以由电获得并以相对高的效率转换成电，一些由太阳能直接得到氢的技术已经成功；③获取氢的原材料是水，资源丰富，由于氢使用后的产物是纯水或水蒸气，因此氢是完全可再生的燃料；④氢可以以气态（便于大规模储存）、液态（便于航空航天应用）或以金属氢化物（便于机动车和别的相对小的规模储量需求）形式储存；⑤氢能够借助于管道和钢瓶进行长距离运输（大多数情况下比电更经济和有效）；⑥氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物，比任何其他燃料有更多的方法和更高的效率转换成为其他形式的能源；⑦氢是对环境无害的能源。 燃料电池必须同时要满足以下功能：①物质、能量平衡，从电池外部提供的燃料和氧化剂（空气），在发电的同时连续地排出生成水合二氧化碳等气体，即所谓的物质移动-供给功能；②燃料电池的基本结构，为了防止易燃、易爆有危险的燃料和氧化剂混合、泄露，应有分离、密封功能，为了分离燃料和氧化剂两种物料，需要有隔离机能，平板型、圆筒型电池和电堆的结构具有这种功能；③电联结，各电池在低损失时应有联结已发生电力的输出功能和燃料电池的直流电转变成交流电的功能；④热平衡，为了保持燃料电池一定温度，需要具有温度控制和冷却功能以及利用联合发电的排热功能；⑤适用的燃料，在燃料电池的电极反应上，供给的燃料能变换成富氢气燃料的改质功能；⑥最优化，为使气态燃料和氧化剂发生很好的电极反应，电极应有一定功能。保持良好电池特性的三相界面的多孔质电极结构和催化剂、温度、压力影响以及电池内浓度变化和电池特性的最佳化。 燃料电池的特点 燃料电池的特点是能量转换率高，它的能效达到60%~70%，远高于热机和发电机的效率； 环境友好，对于氢燃料电池，发电后的产物只有水； 工作安静；方便使用； 燃料电池发电系统由配置合理的电池组构成，可实现工厂生产模块，电站安装，更换方便； 适用性强，燃料电池的燃料多种多样，如氢气、煤气、天然气、甲醇和汽油燃料电池供电范围广，可根据需求建立大中小型电站，也可以制成携带式电源。 燃料电池的类型 目前燃料电池主要按电解质的性质划分为五大类： ①碱性燃料电池（alkaline），简称AFC； ②质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell），简称PEMFC； ③磷酸燃料电池（phosphorous acid fuel cell），简称PAFC； ④熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell），简称MCFC； ⑤固体氧化物燃料电池（solid-oxide fuel cell），简称SOFC。 燃料电池介绍 2.碱性燃料电池（alkaline fuel cell--AFC） 　　 20世纪60～70年代，由于载人航天飞行对高比功率、高比能量电源的需求，在美国和国际上形成了碱性燃料电池的高潮，在1960～1965年期间，美国pratt-whitney公司受美国宇航局的委托，在英国培根教授工作的基础上 ，为Apollo登月飞行开发成功了PC3A型碱性燃料电池系统，正常输出功率可达1.5Kw，过载能力可达2.3Kw。54台电池已9次用于阿波罗登月飞行、太空实验室，总工作时间已达10750h。20世纪70年代，美国联合科技公司在美国航空航天局支持下，又成功开发用于航天飞机的石棉膜型碱性燃料电池系统，并于1981年首次用于航天飞行。 碱性燃料电池在航天方面的成功应用，曾推动人们探索它在地面和水下应用的可行性。但是由于它以浓碱为电解液，在地面应用必须脱除空气中的微量CO2。而且它只能以纯氢或NH3、N2H2等分解气为燃料，若以各种碳氢化合物重整气为燃料，则必须分离出混合气中的CO2。 20世纪80年代后，由于质子交换膜燃料电池技术突破并得到快速发展，寻求地面与水下应用的燃料电池已转向PEMFC。 　 　它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。 2.6 AFC的性能 （1）能量转化效率高 通常AFC的输出电压为0.8~0.95V，其能量转化效率可高达60%~70%。这由AFC的结构所决定的，AFC的电化学反应是在相同的电催化剂上实现，交换电流密度高导致能量转化效率高。 （2）采用非铂系催化剂 AFC通常采用门尼镍、硼化镍等作催化剂，免受铂资源制约，同时可降低成本。 （3）化学性能稳定 镍在碱性介质中和电池的工作温度下化学性质稳定，因此可采用镍板或镀镍金属板作双极板。 AFC采用氢氧化钾作电解质，它的负面作用限制了AFC的发展。 为了防止氢氧化钾与CO2反应，氧化剂（包括氧气、空气）必须充分净化，除去CO2，AFC的氧化剂通常采用纯氧；如采用富氢燃料作还原剂，也要除CO