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.ppt
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1、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中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院氢气利用与燃料电池氢气利用与燃料电池v氢像电一样可以从任何能源中得到,包括可再氢像电一样可以从任何能源中得到,包括可再生的能源;生的能源;氢可以由电获得并以相对高的效率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转换成电,一些由太阳能直接得到氢的技术已经成功;成功;获取氢的原材料是水,资源丰富,由于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;可再生
2、的燃料;氢可以以气态(便于大规模储氢可以以气态(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)物(便于机动车和别的相对小的规模储量需求)形式储存;形式储存;氢能够借助于管道和钢瓶进行长距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);离运输(大多数情况下比电更经济和有效);氢可通过催化燃烧、电化学转换和氢化物,比任氢可通过催化燃烧、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;其他形式的能源;氢是对环境无
3、害的能源。氢是对环境无害的能源。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 氢能氢能“喝喝”氢的汽车氢的汽车中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 燃料电池的概念是由蒙德燃料电池的概念是由蒙德()和莱格和莱格()于年首先提出来的。就在这时内于年首先提出来的。就在这时内燃机问世了,内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣推迟了年。燃机问世了,内燃机的发明使人们对燃料电池的兴趣推迟了年。年培根研制成功氢氧燃料电池,他对燃料电池的研究工作,奠定了燃年培根研制成功氢氧燃料电池,他对燃料电池的研究工作,奠定了燃料电池发展的基础。世纪年
4、代,随着航天技术的发展,美国对培根氢氧燃料电池发展的基础。世纪年代,随着航天技术的发展,美国对培根氢氧燃料电池进行了改进,并分别于年和年成功的将其应用于双子星座和阿波罗料电池进行了改进,并分别于年和年成功的将其应用于双子星座和阿波罗飞船上,为其提供电力。飞船上,为其提供电力。世纪年代,因中东战争导致两次世界性石油危机,年代美国、加拿大、世纪年代,因中东战争导致两次世界性石油危机,年代美国、加拿大、日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃料电池,在日本和欧洲等的世界发达国家投入大量人力和财力研究开发燃料电池,在年代燃料电池实现燃料技术上的真正突破,佳能、松下、三星、东芝都发年代燃料
5、电池实现燃料技术上的真正突破,佳能、松下、三星、东芝都发布了自己的产品,燃料电池进入了应用阶段。布了自己的产品,燃料电池进入了应用阶段。燃料电池燃料电池中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院由于它是把燃料通过化由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为学反应释出的能量变为电能输出,所以被称为电能输出,所以被称为燃料电池。它是利用氢燃料电池。它是利用氢和氧生成水的过程来产和氧生成水的过程来产生电力的一种装置。生电力的一种装置。燃料电池:被称为连续电池,它在等温条件下直接燃料电池:被称为连续电池,它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能。燃将
6、储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能。燃料电池在反应过程中不涉及燃烧,能量交换效率不料电池在反应过程中不涉及燃烧,能量交换效率不受卡诺循环的限制。受卡诺循环的限制。工作原理工作原理:通过物质发生化学反应时连续地向其供给通过物质发生化学反应时连续地向其供给活物质活物质(起反应的物质起反应的物质)燃料和氧化剂燃料和氧化剂,促使物质发生促使物质发生化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。化学反应时释出的能量直接将其转换为电能。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机发电机
7、。它由正极、负极和夹在正负极中间的固。它由正极、负极和夹在正负极中间的固体电解质板所组成。体电解质板所组成。工作时向负极供给燃料工作时向负极供给燃料(氢氢),向正极供给氧化剂向正极供给氧化剂(空气空气)。氢。氢在负极分解成正离子和电子。在负极分解成正离子和电子。氢离子进入电解液中,而电氢离子进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极。子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。正是水的电解反应的逆过程
8、。燃料电池的用途燃料电池的用途:电动车动力源电动车动力源,可移动电源、家可移动电源、家庭电源与分散电站等庭电源与分散电站等中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院v燃料电池必须同时要满足以下功能:燃料电池必须同时要满足以下功能:物质、能量平衡,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;供给功能;燃料电池的基本结构,为了防止易燃、易爆燃料电池的基本结构,为了防止易燃、易爆有危险
9、的燃料和氧化剂混合、泄露,应有分离、密封功能,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;型、圆筒型电池和电堆的结构具有这种功能;电联结,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;电池的直流电转变成交流电的功能;热平衡,为了保持热平衡,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
10、的排热功能;用联合发电的排热功能;适用的燃料,在燃料电池的电适用的燃料,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;极反应上,供给的燃料能变换成富氢气燃料的改质功能;最优化,为使气态燃料和氧化剂发生很好的电极反应,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。化和电池特性的最佳化。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程
11、学院燃料电池的特点v 燃料电池的特点是能量转换率高,它的能效达到,燃料电池的特点是能量转换率高,它的能效达到,远高于热机和发电机的效率;远高于热机和发电机的效率;v环境友好,对于氢燃料电池,发电后的产物只有环境友好,对于氢燃料电池,发电后的产物只有水;水;v工作安静;方便使用;工作安静;方便使用;v燃料电池发电系统由配置合理的电池组构成,可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;实现工厂生产模块,电站安装,更换方便;v适用性强,燃料电池的燃料多种多样,如氢气、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,煤气、天然
12、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,也可以制成携带可根据需求建立大中小型电站,也可以制成携带式电源。式电源。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池的类型v目前燃料电池主要按电解质的性质划分为五大类:目前燃料电池主要按电解质的性质划分为五大类:v碱性燃料电池(),简称;碱性燃料电池(),简称;v质子交换膜燃料电池(质子交换膜燃料电池(),简称;),简称;v磷酸燃料电池(磷酸燃料电池(),简称;),简称;v熔融碳酸盐燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池(),简称;),简称;v固体氧化物燃料电池(固体氧化物燃料电池(),简称。),简称
13、。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 燃料电池介绍 燃料电池类型碱性燃料电池磷酸燃料电池质子交换膜燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文简称电解质氢氧化钾溶液磷酸质子渗透膜碳酸钾固体氧化物燃料纯氢天然气,氢氢,甲醇,天然气天然气,煤气,沼气天然气,煤气,沼气氧化剂纯氧空气空气空气空气效率使用温度中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院燃料电池是化学能直接转化成电能的一种动力设备燃料电池的基本反应步骤::反应物向燃料电池内部传递:电化学反应:离子传导以及电子传导:产物排出中南大学冶金科学与工程学院中南大学
14、冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院各种燃料电池的工作原理各种燃料电池的工作原理 碱性燃料电池碱性燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池 中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院.碱性燃料电池()v 世纪年代,由于载人航天飞行对高比功率、高比能量电源的需求,在美世纪年代,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,在年期间,美国公司受美国宇航局的委国和国际上形成了碱性燃料
15、电池的高潮,在年期间,美国公司受美国宇航局的委托,在英国培根教授工作的基础上托,在英国培根教授工作的基础上,为登月飞行开发成功了型碱性燃料电池系统,为登月飞行开发成功了型碱性燃料电池系统,正常输出功率可达,过载能力可达。台电池已次用于阿波罗登月飞行、太空实验室,正常输出功率可达,过载能力可达。台电池已次用于阿波罗登月飞行、太空实验室,总工作时间已达。世纪年代,美国联合科技公司在美国航空航天局支持下,又成功总工作时间已达。世纪年代,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,并于年首次用于航天飞行。开发用于航天飞机的石棉膜型碱性燃料电池系统,并于年首
16、次用于航天飞行。v 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。而且它可行性。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。而且它只能以纯氢或、等分解气为燃料,若以各种碳氢化合物重整气为燃料,则必须分离只能以纯氢或、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。出混合气中的。v 世纪年代后,由于质子交换膜燃料电池技术突破并得到快速发展,寻求地面与世纪年代后,由于质子交换膜燃料电池技术突破并得到快速发展
17、,寻求地面与水下应用的燃料电池已转向。水下应用的燃料电池已转向。v 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。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。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 碱性燃料电池工作原理 碱性燃料电池是以强碱为电解质,氢为燃料,氧为氧化剂的燃料电池,在阳极,氢气与碱中的在电催化剂作用下,发生氧化反应生成水和电子:氢电极反应生成的电子通过外电路到达阴极,在阴极电催化剂的作用下,参与氧的还原反应:生成的通过饱浸碱液的多孔石棉膜迁移到氢电极。为保持电池连续工作,除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应
18、氢气、氧气外,还需连续、等速地从阳极排除电池反应生成的水,以维持电解液浓度的稳定;排除电池反应的废热以维持电池工作温度的稳定。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 图 碱性燃料电池电化学反应的燃料有纯氢(用碳纤维增强铝瓶储存)、储氢合金和金属氰化物。工作时会产生水合热量,采用蒸发和氢氧化钾的循环实现排除,以保障电池的正常工作。氢氧化钾电解质吸收生成的碳酸钾会堵塞电极的孔隙和通路,所以氧化剂要使用纯氧而不能用空气,同时电池的燃料和电解质也要求高纯化处理。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 电催化剂与电极及其制备
19、工艺 电催化剂 选择碱性燃料电池电催化剂时,首要条件有两个:一是电催化剂对氢的电化学氧化和氧的电化学还原的催化活性;而是在浓碱中电催化剂于电极工作电位范围内的稳定性。对于碱性燃料电池,强碱的阴离子为,它既是氧电化学还原的产物,又是导电离子。因此在电化学反应过程中不存在酸性电池中能够出现的阴离子特殊吸附对电催化化活性和电极过程动力学的不利影响。碱的腐蚀性比酸低得多,所以碱性电池的电催化剂不仅种类比酸性电池多,而且活性也高。对于培根型中温(约度)碱性燃料电池,多采用双孔结构的镍电极,及用镍作为电催化剂。而对于采用粘结型多孔气体扩散电极的碱性燃料电池,由于在航天应用中要求高比功率与高比能量,为达到高
20、电催化活性,多采用将贵金属(例如铂)催化剂分散到碳基体上,形成具有催化活性的电极。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 电极结构与制备工艺)双孔结构电极 培根采用雷尼合金制备双孔结构电极,其粗孔层孔径,细孔层孔径,电极厚度约为。粗孔层内充满反应气体,细孔层内填满电解液。细孔层的电解液浸润粗孔层,液气界面形成并发生电化学反应,离子和水在电解液中传递,而电子则在构成粗孔层和细孔层的门尼合金骨架内传导。电池工作时,只要控制反应气与电解液压差在一定范围内,双孔结构电极可以满足多孔气体扩散电极的要求,并保持反应界面稳定。为提高双孔电极的电催化活性,可将高催化活性
21、的组分引入双孔电极粗孔层,例如用氯铂酸或硝酸银溶液浸渍双孔电极粗孔层,再用还原剂如水合肼还原,即可制备出粗孔层表面担有高电催化活性组分的双孔结构电极。这种双孔结构电极只适用于低温燃料电池。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 在水溶液电解质中,某些单有各种电催化剂的活性炭等材料可被浸润,同时又是电的良导体。这样的材料可提供电子导电与液相传质的通道,但它无法提供反应气传递的气体通道。加入等疏水物质,由于其疏水特性,可在电极中形成气体通道。疏水剂的加入出料提供气体通道之外,还有一定粘合作用,可使分散的电催化剂聚集体牢固结合。这种电催化剂与疏水剂构成的电极就
22、是粘合型气体扩散电极。)疏水的粘合型电极 这种气体扩散电极可简单地视为微观尺度上相互交错的双网络体系。由疏水剂构成的疏水这种气体扩散电极可简单地视为微观尺度上相互交错的双网络体系。由疏水剂构成的疏水网络为反应气的进入提供了电极内部通道;由电催化剂构成的另一亲水网络可为电解质所完全网络为反应气的进入提供了电极内部通道;由电催化剂构成的另一亲水网络可为电解质所完全润湿,从而提供电子与液相离子传导通道,并在电催化剂上完成电化学反应。这种电极由于电润湿,从而提供电子与液相离子传导通道,并在电催化剂上完成电化学反应。这种电极由于电催化剂外液膜很薄,其极限电流很高。电催化剂是一种高分散体系,只要确保电解液
23、一定的浸催化剂外液膜很薄,其极限电流很高。电催化剂是一种高分散体系,只要确保电解液一定的浸入深度,这种电极就能具有较大的真实表面积,既具有高的反应区。入深度,这种电极就能具有较大的真实表面积,既具有高的反应区。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 石棉膜 的隔膜材料是石棉膜。在石棉膜型碱性燃料电池中,饱浸碱液的石棉膜的作用有二,一是利用其阻气功能,分隔氧化剂和还原剂;二是为的传递提供通道。石棉的主要成分为氧化镁和氧化硅(分子式为),具有均匀的孔结构,为电子绝缘体。长期在浓碱的水溶液中浸泡,其酸性组分与碱反应生成微溶性的硅酸钾。为减少石棉膜在浓碱中的腐蚀
24、,可在石棉纤维制膜前用浓碱处理,也可以在涂入石棉膜的浓碱中加入百分之几的硅酸钾,抑制石棉膜的腐蚀,减小膜在电池中因腐蚀而导致的结构变化。因为石棉对人体有害,而且在浓碱中缓慢腐蚀,为改进碱性燃料电池的寿命与性能,已成功开发钛酸钾微孔隔膜,并已成功地用于美国航天飞机用碱性燃料电池中。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 双极板与流场 在碱性燃料电池工作条件下,性能稳定、比较廉价的双极板材料是镍和无孔石墨板。作为航天电源,要求具有高的质量比功率和体积比功率,因此多采用厚度为毫米级的镁、铝等轻金属制备双极板。如美国用于航天飞机的动态排水石棉膜型碱性燃料电池既采
25、用镁板镀银或镀金作双极板。对地面和水下应用,可采用无孔石墨板或铁板镀镍作双极板,用腐蚀加工工艺制备点状或平行沟槽流畅,再镀镍作为碱性燃料电池双极板。中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院中南大学冶金科学与工程学院 碱性燃料电池排水 为确保电池连续稳定的运行,必须以与电池生成水相等的速度将反应产物水排出,至今已发展了动态排水与静态排水两种方法。动态排水 对碱性氢氧燃料电池,水是在氢电极生成的。所谓动态排水,是用风机循环氢气,在氢电极生成的液态水蒸发至氢气中,迁移至电池外的冷凝器,冷凝后分离;氢气在与由氢源来的氢混合返回电池。美国航天飞机用氢氧石棉膜型燃料电池和我国天津电源研究所在世
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