第三章氢能与高分子电解质膜燃料电池
氢能与燃料电池82页PPT
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
氢能与燃料电池
Байду номын сангаас 6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
第三章 氢能和燃料电池
耐酸以及高温材料的研究 目前热化学制氢技术还很不成熟，离商业化还很遥远。任何一项技术的重大 突破都会改写此技术的历史。
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3.３ 水制氢
3.3.6 高温热水解制氢 高温热水解反应原理： H2O----1/2O2+H2 H=241 kJ/mol 高温热水解制氢的难题和展望
水电解制氢效率，７５％－８５％，每立方氢气电耗4.5-5.5kW.h
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3.３ 水制氢
3.3.２ 重水电解 水电解制氘： D2O------D2+1/2O2
做为核聚变的材料，例如氢弹等。
3.3.３ 煤水电制氢
将煤粉加入酸性电解槽中的阳极区域，以消除极化效应，反应产物为CO2。 可以使能耗降低2.4kW.h生产一立方天然气。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 氢的资源丰富-------------水是地球的主要资源，地球70%被水覆盖 氢来源的丰富性-------也可以从化石能源以及生物质能 氢是最环保的能源—---排放物只有水 氢气具有可储存性—---是区别于电和热的主要标志 氢的可再生性—-------生成水可以继续由水再产生 氢是和平的能源-------各个国家都有丰富的水 氢是安全的能源-------密度小，扩散后迅速升空
77氢的纯化氢的纯化374氢气纯化方法的比较方法原理典型原料备注催化纯化与氢气进行催化反应除去氧含氧的氢气流9999999小至大规模一般用于提高电解质制氢法氢气的纯度有机物铝汞碳和硫的化合物会使催化剂中毒聚合物薄膜扩散法气体通过渗透薄膜的扩散速率不929885小至大规模氦二氧化碳和水也可能渗透过薄膜金属氢化物分离法氢同金属生成金属氢化物的可逆反应7595小至大规模氧氮一氧化碳和硫使氢吸附中毒低温吸附液氮温度下吸附的选择吸附氢含量为995999999约95小至大规模先采用冷凝干燥除水再经过催化脱氧低温分离低温条件下气体混合物中部分气体冷凝石油化工和炼油厂废气909895大规模为除去二氧化碳硫化氢和水需要预先处理变压吸附选择性吸附气流中的杂质任何富氢原料气999997085大规模清洗过程中损失氢气回收率低无机物薄膜扩散法氢可通过钯合金膜的选择性扩散任何含氢气体99999999小至中等规模硫化物和不饱和烃可减低渗透性4033
氢能
氢能的应用
氢具有一系列优点，使它的用途非常广泛，由于它是高
效载能体，又便于输送，所以在那些用电传送能量不方便或 电网不能到达的地方，用氢提高能量是很吸引人的因此近几 年来，有人提出所谓“氢能系统”的设想，根据这一设想， 氢将用于发电、化工和冶金等行业的工业生产、家庭生活用
能量、交通运输等几大方面，它既可以提供电形式的能量，
第六章
氢能与燃料电池
氢能简介
氢气是已有近百年使用历史的燃料，但是作为一种新
的能源看待只是在最近。自从 1973 年石油危机以来，人们 受到矿物性燃料逐渐减少所带来的压力，常规能源日渐短缺 与能源消耗继续增长的尖锐矛盾迫使人们去寻找新的能源； 长期使用矿物性燃料所造成的环境污染、对生态环境的破坏， 也使人们认识到保护环境的重要性，而迫的。
型，其他几类作为民用还在元件的技术研究阶段。 按电池温度分为低温（低于100，碱性和质子交换膜）、 中温（ 100-300 ，磷酸型和培根型碱性）和高温（ 600-1000 ， 熔融碳酸盐和固体氧化物）等。
b ）利用铬的氯化物
H2O+Cl2 700 2HCl+0.5 O2 2HCl+2 CrCl2 200 2CrCl3+H2 2CrCl3 800 2CrCl2+Cl2 总的反应为 H2O H2+0.5 O2
氢气制备
反应过程要求在 800 0C及其以下进行。
c ）利用锂的氯化物
LiNO2+ I2+ H2O 25 LiNO3+2 e
a) 利用钙的溴化物
CaBr2+2 H2O 730 Ca2-+2HBr
Hg +2 HBr 250 HgBr2+H2
氢能与质子交换膜燃料电池
氢能与质子交换膜燃料电池1. 简介1.1 什么是氢能？氢能是一种清洁能源，广泛被认为是未来能源的重要选择。
它可以通过水电解、化石燃料加氢等方式获得，具有高能量密度和无污染排放的特点。
1.2 什么是质子交换膜燃料电池？质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种基于氢能的能源转换技术。
它通过氢气和氧气的反应产生电能，并以质子交换膜作为电解质传递质子。
2. 原理质子交换膜燃料电池基于化学反应原理实现能源转换。
其主要原理如下：1.氢气在阳极（负极）上催化产生质子和电子：H2 → 2H+ + 2e-2.质子通过质子交换膜传递到阴极（正极）：2H+ → H23.电子在外部回路中流动形成电流，在阴极与氧气反应产生水：2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O4.电子和质子再在阴极上发生还原反应：2H+ + 2e- → H2通过以上反应，氢气和氧气进行电化学反应，产生水和电能，实现能源的转化与利用。
3. 组件质子交换膜燃料电池由以下几个主要组件构成：3.1 质子交换膜质子交换膜位于阳极和阴极之间，是电解质的关键组成部分。
它具有良好的质子导电性和气体隔离性，能够传导质子并阻止氢气和氧气的混合。
3.2 阳极阳极是负极，负责氢气的催化反应，将氢气中的质子和电子分离。
3.3 阴极阴极是正极，负责氧气的还原反应，将质子和电子再次结合形成水。
3.4 氢气供应系统质子交换膜燃料电池需要氢气作为燃料，氢气供应系统用于提供纯净的氢气。
3.5 氧气供应系统质子交换膜燃料电池需要氧气作为氧化剂，氧气供应系统用于提供纯净的氧气。
3.6 冷却系统冷却系统用于控制质子交换膜燃料电池的温度，确保其正常运行。
3.7 控制系统控制系统用于监测和调节质子交换膜燃料电池的运行参数，保证其安全和高效运行。
4. 应用质子交换膜燃料电池具有许多潜在的应用领域，包括但不限于以下几个方面：•交通运输：质子交换膜燃料电池可以用于汽车、公交车、火车等交通工具，实现零排放的清洁能源驱动。
氢能与燃料电池
汇报人：
目录
氢能与燃料电池概述 氢能技术
氢能与燃料电池 概述
氢能定义：氢 气作为能源的
利用方式
燃料电池定义： 通过氢气与氧 气反应产生电 能的技术装置
燃料电池工作 原理：通过电 解质隔膜将氢 气与氧气分开， 通过电化学反
应产生电能
燃料电池优点： 高效、环保、
可再生能源
氢能与燃料电池技术不断进步 政策支持推动产业发展 氢能与燃料电池应用领域不断扩大 未来发展前景广阔
氢能将成为未来的主流能源 燃料电池将在交通运输、电力等领域得到广泛应用 氢能与燃料电池技术的不断发展将促进能源结构的优化 社会对环保和可持续发展的需求将进一步推动氢能与燃料电池的发展
氢能技术
电解水制氢 天然气重整制氢 生物质气化制氢 太阳能光解制氢
压缩氢气：高 压气体储存技 术，储存量大，
储存效率高
液态氢气：储 存温度低，储 存效率高，但
储存难度大
固态氢气：储 存效率高，储 存难度低，但
成本较高
管道运输：适 用于大规模、 长距离运输， 但建设成本高
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聚合物电解质膜在燃料电池中的应用研究
聚合物电解质膜在燃料电池中的应用研究燃料电池是一种通过化学反应转化为电能的环保型电池。
它在电动汽车、家用电器、移动通信等领域有着广泛应用的潜力。
而聚合物电解质膜是燃料电池中的重要组成部分，它能将氢气和氧气化合反应生成的电子和电子缺口分离出来，以此产生电能。
1. 什么是聚合物电解质膜聚合物电解质膜是燃料电池中的重要组成部分，它通常由聚合物、无机盐和其他添加剂等组成。
对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）来说，其电解质膜通常是以高分子短链之间的交联为主，这些链与水分子结合形成质子转移通道，从而实现质子交换特性。
而对于直接甲醇燃料电池（DMFC）来说，其电解质膜需要考虑到甲醇的毒性和扩散特性，从而需要选择不同的材料，如纳米复合材料等。
2. 聚合物电解质膜的优势与传统的电池相比，燃料电池具有高能量密度、低排放、低噪音等优点。
而聚合物电解质膜的优点也非常明显，如：a. 高导电性：聚合物电解质膜能够提供良好的质子传输能力，从而使得燃料电池的效率更高。
b. 轻量化：聚合物电解质膜的重量较轻，从而能够降低整个燃料电池的重量和体积。
c. 耐高温：聚合物电解质膜通常具有良好的耐高温性能，能够在高温环境下长期工作。
d. 环保：聚合物电解质膜不含有重金属等有害物质，从而能够保证燃料电池的环保性。
3. 聚合物电解质膜的应用研究目前，聚合物电解质膜在燃料电池中应用的研究非常广泛。
其主要包括以下几个方面：a.电解质膜的材料研究：目前已经有许多材料可以用来制备电解质膜，如聚四氟乙烯、聚苯乙烯等，但其性能仍有待提高。
因此，研究新型电解质膜材料并不断优化其性能是目前的主要方向。
b.电解质膜的结构研究：电解质膜的结构对其性能有着很大的影响，因此通过改变电解质膜的交联程度、厚度等可以有效提高其性能。
c.电解质膜的制备技术研究：电解质膜的制备技术也是影响其性能的重要因素之一，因此需要研究更加高效、环保的制备技术。
4. 发展趋势目前，聚合物电解质膜在燃料电池中的应用已经初步成熟，但仍有一些问题需要解决。
氢能源及燃料电池简介介绍
01
加强氢能源及燃料电池的宣传 和教育，提高公众对氢能源及 燃料电池的认知度和接受度。
02
通过示范项目和应用案例，让 公众了解氢能源及燃料电池在 环保、节能和可持续发展等方 面的优势和贡献。
03
建立健全的售后服务体系，提 高用户对氢能源及燃料电池产 品的信任度和满意度，促进市 场的进一步拓展。
THANKS
04
氢能源与燃料电池的经济与社 会效益
对环境的影响
01
减少温室气体排放
氢能源燃烧只产生水，不产生二 氧化碳等温室气体，有助于减缓 全球气候变暖。
02
降低空气污染
03
降低噪音污染
氢能源替代化石燃料可显著减少 空气中的颗粒物、硫化物和氮化 物等污染物，改善空气质量。
燃料电池电动汽车在行驶过程中 几乎无声，提高了居民的生活质 量。
03
国际氢能源及燃料电池产业联盟和标准化组织众多，推动产业发展和 技术标准化。
04
国外主要汽车厂商纷纷推出氢燃料电池汽车，扩大应用场景。
技术挑战与解决方案
技术挑战 氢能源及燃料电池技术的成本、效率和安全性仍需提高。
氢气储存和运输技术难度较大，需要解决高压和低温等问题。
技术挑战与解决方案
• 氢燃料电池汽车的基础设施建设尚不完善 ，加氢站数量较少。
国内外发展现状
01
国内发展现状
02
我国在氢能源及燃料电池领域的研究起步较晚，但 近年来发展迅速。
03
国家政策大力支持，推动氢能源及燃料电池技术的 研发和应用。
国内外发展现状
• 国内已建成多个氢能源及燃料电 池产业基地，形成了一定的产业 链。
国内外发展现状
01
国外发展现状
氢能源及燃料电池简介介绍
氢能源的安全使用与运
01
安全性
氢气易燃易爆，使用时需注意安全，远离明火和 高温环境。
02
运输方式
氢气运输可以采用管道、车辆等方式，需确保运 输过程的安全性和可靠性。
03
燃料电池的类型与应用
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
总结词
质子交换膜燃料电池是一种高效、环保的能源转换装置，具有高能量密度和快速充电等特点。
详细描述
PAFC采用磷酸溶液作为电解质，可以将氢气和氧气通过膜反应转化为电能和磷酸。这种燃料电池具有 较高的效率和中等能量密度，同时其运行温度适中，适用于各种应用场景。PAFC广泛应用于固定电源 、船舶等领域。
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
总结词
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池， 具有高能量密度、高效率等特点。
02
氢能源的生产与储存
氢能源的生产方法
电解水制氢
通过电解水分解为氢气和 氧气，是最直接、清洁的 制氢方式。
天然气重整制氢
利用天然气在高温高压下 重整生成氢气和二氧化碳 ，制氢效率高但碳排放较 高。
生物质发酵制氢
利用生物质如秸秆、畜禽 粪便等通过发酵产生氢气 ，具有可持续性和环保性 。
其他可再生能源制氢
多元化能源供应
氢能源可以作为多种能源的供应方式，如电力、热能和运 输能源等，能够满足不同领域的需求，为能源的可持续发 展提供支持。
促进可再生能源利用
氢能源的生产主要依赖于可再生能源，如太阳能、风能等 ，其发展将进一步促进可再生能源的利用，减少对传统能 源的依赖。
燃料电池的发展前景与趋势
01
燃料电池技术不断进步
如太阳能、风能等通过电 解水或光解水制氢，是未 来发展的重要方向。
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氢气的来源
• 煤的气化
煤在高温（>900 ℃ ），常压或加压下，与气化剂反应，转 化成为气体产物，得到以氢气和一氧化碳为主要成份的气态 产品，然后经过净化，CO变换和分离，提纯等处理而获得 一定纯度的产品氢。气化剂为水蒸汽或氧气(空气)。
气化反应:
工艺流程:
关键技术
煤的气化技术
气化效率（反应速率）
带隙（Band Gap）:
Eg = Ec - Ev
Band Gap
导带能级
价带能级 （Valence Band）
（Conduction Band）
Eg > 1.23 V （水的理论分解电压）
导带电位比氢电极电位 EH+/H2稍负， 价带电位则应比氧电极电位EO2/H2O稍正。
Ref. R. Molinari et al., Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 7247.
储存 物理方式 化学方式 加氢站
运输 管道运输（安全性？）
使用
氢气的来源（1）
由煤炭制取氢气（煤制氢路线） 直接制氢法 • 煤的焦化 煤 900-1000 ℃ 焦炭 + 焦炉煤气 隔绝空气
55-60%H2 + 23-27%CH4 + 6-8%CO + 其它
城市煤气
净化处理 氢气
文献：谢继东等，《洁净煤技术》2007年第2期77-81页。
性能要求 结构-性能关系 问题与挑战
本章学习目标
了解氢能的主要来源及工业制氢的主要方法 列举两种高分子电解质膜燃料电池的异同点 描述高分子电解质膜在燃料电池中的作用及性能 要求 说明高分子电解质膜燃料电池面临的挑战和发展 趋势 解释燃料电池在不同应用场合对高分子电解质膜 的性能要求 思考如何来提高高分子电解质膜材料的性能
氢气的来源（4）
工业废气 • 氯碱工业
阳极： 阴极： 总反应： 《中国氯碱》2007年1月第1期： 2003年，中国共有200多家氯碱企业，烧碱产量约1100万吨 24万吨氢气
• 合成氨工业
氢气的来源（5）
电解水
• 燃料电池的逆过程 • 高纯氢气 • 能量效率：不合算 • 特殊场合：
氢气的来源（6）
原理：
利用吸附剂对吸附质在不同的分压下有不同的吸附容量、吸 附速度和吸附力，并且在一定压力下对被分离的气体混合物 的各组分有选择吸附的特性，加压吸附除去原料气中的杂质 组分，减压脱附这些杂质而使吸附剂获得再生。
工艺流程短 投资少 效率高 能耗低
氢气的来源（2）
天然气蒸汽转化
催化剂：Ni
工艺流程：
(Si +Al)/O = 1/2
Molecular Sieve Type A
气体分子尺寸（Lennard-Jones diameter）
Gas
D (nm)
H2
0.292
O2
0.343
N2
0.368
CO2
0.400
Molecular Sieve Type X
• 碳分子筛膜（Carbon molecular sieve membrane）
生物制氢
发酵制氢 酶、细菌 植物多糖
氢气
海藻制氢
思考题（农生学院）： （1）生物制氢、海藻制氢的机理？ （2）发展现状和技术关键？ （3）生物燃料电池的原理？
氢气的来源（7）
其它方法 光催化分解水制氢气
1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首 次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气。
由高分子膜高温碳化形成的多孔膜 （基团分解逸出后产生纳米孔）
高分子膜
• 自由体积（Free Volume） • 溶解-扩散模型
Membrane diffusion
变压吸附 (Pressure Swing Adsorption)
气体吸附量-压力
Ref. D. D. Papadias, et al. Internationa journal of hydrogen energy 37 (2012) 14413
第三章
氢能与高分子电解质膜燃料电池
(Hydrogen Energy and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)
本章主要内容
氢能 工业制氢 研究热点
高分子电解质膜燃料电池
质子交换膜燃料电池
性能要求 结构-性能关系 问题与挑战
碱性阴离子交换膜燃料电池
• 反应炉的设计
• 气化工艺（固定床、流化床、气流床） • 热源 • 气化方式（催化气化、等离子气化等）
气体（H2/CO2 ）分离技术
节能、环保 • 膜分离（高效分离膜） • 变压吸附
气体分离膜
无机多孔膜
• 分子筛膜（Zeolite membrane） Alumino-silicate (SiO4和AlO4四面体) 化学组成：Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]zH2O
氢能(H2)的特点
清洁、高效 每千克氢燃烧后的热量 为142.35 MJ，约为汽油的3倍，
酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上 最干净的能源。
利用方式多样 直接燃烧 其它方式（电化学反应）
自然界最普遍的元素
重要的化工原料 合成氨（化肥） 有机化工
氢能产业链
生产 原料、工艺路线、纯化等
脱硫
转化
变换
分离
讨论：如何分离提纯氢气？
变压吸附（Pressure Swing Adsorption，简称PSA）
氢气的来源（3）
甲醇催化重整
反应机理：
• 关键技术：
Cu系：例如：Cu/ZnO/Al2O3
催化剂 Cr-Zn系：例如：Cr-Zn/Cr2O3
贵金属：Pd、Pt等
热源： 强吸热反应 太阳能（聚光）
光催化剂种类
TiO2, CeO2, ZnO, WO3, Fe2O3, CdS, ZnS, MoS2 ……
TiO2
• 成本低廉 • 无毒 • 催化活性高 • 化学稳定性高
锐钛矿（anatase） 金红石（rutile） 板钛矿（brookite）
正方晶系 正方晶系 斜方晶系
• 研究焦点：
高效、低成本、稳定、环境友好、光谱吸收范围宽 （可见光区）光催化剂的研发
影响光催化效率的因素：
• 电子-空穴对再耦合 • 光谱吸收范围窄 • 氢-氧再结合
氢气的储存
物理储氢
• 高压容器
~70020.3K）
能耗高
• 物理吸附
高比表面积材料：活性炭、碳纳米管、富勒烯等