能量储存技术概论_第六、七章
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第六章 燃料电池与氢能利用
本章内容
6.1 化学储能原理 6.2 燃料电池技术 6.3 氢能利用
2010-06-11
能源与动力工程学院
2
6.1 化学储能原理
化学能与热能转换
化学能储热：吸收式制冷机
化学能与电能转换
制氢储能电站：利用低谷负荷电去电解水，获 得氢、氧，储存起来，高峰负荷时利用氢气作 燃料推动燃气轮机发电。
2010-06-11
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21
固体氧化物燃料电池
http://hi.baidu.com/_notes/blog/item/81e8734a77de832108f7ef2c.html
2010-06-11 能源与动力工程学院 22
固体氧化物燃料电池
http://hi.baidu.com/_notes/blog/item/81e8734a77de832108f7ef2c.html
2010-06-11 能源与动力工程学院 17
熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶 瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的 燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下： 阴 极： O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32阳 极： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 总反应： O2 ＋ 2H2 → 2H2O
2010-06-11
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碱性燃料电池
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电 池，主要为空间任务，包括航天飞机提供 动力和饮用水。 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾 基质，电化学反应生成电子用来为外部电 路提供能量，然后回到阴极与氧和水反应 生成更多的羟基离子。
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2010-06-11 能源与动力工程学院 8
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电 能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过 锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免 过程中转换损失，达到高发电效率。此外，还具 有以下优点：（1）部分负荷时也能保持高的效 率；（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范 围的燃料；（3）由于输出功率单位由堆的输出功 率决定，故机组容量具有自由度；（4）电池本体 的负荷响应性好；（5）NOX及SOX等的排出量 少，有利于环保。
2010-06-11 能源与动力工程学院 6
一、概述
格罗夫当时只是做了实验，并未实用化。 1958年，剑桥大学（英国）制成了5KW的燃料电 池。 1965年，美国GE公司成功地开发出了燃料电 池，这个电池就安装在1965年的载人飞船双子星 5号上，用于供给宇航员饮用水的飞船电能。 1969年登上月球的阿波罗11号飞船上的电源也使 用了燃料电池作为飞船内电源。
32
热化学制氢
这种方法是通过外加高温使水起化学分解 反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热 化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20 ％～50％，而且还有许多工艺问题需要解 决。依靠这种方法来大规模制氢还有待进 一步研究。
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太阳能制氢
随着新能源的崛起，以水为原料、利用核 能和太阳能来大规模制氢已成为世界各国 共同努力的目标。其中太阳能制氢最具吸 引力，也最有现实意义。
能源与动力工程学院
2010-06-11
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磷酸型燃料电池
磷酸型燃料电池 (PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)以磷酸 为电解质，磷酸在水溶液中易解离出氢离 子(H3PO4→H++H2POF)，并将阳极(燃料极) 反应中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。 在阳极，燃料气中的氢气在电极表面反应 生成氢离子并释放出电子，电极反应式为： H2→2H++2e-；
2010-06-11 能源与动力工程学院 5
一、概述
1839年，英国人格罗夫发现氧和氢的反应 中有电能产生，即电解水的时候消耗了电 能而生成了氧和氢，反过来，从外部给阳 极一侧送入氧，给阴极一侧送入氢，就能 够产生电能和水。 这种电池以铂为电极、以硫酸为电解质， 通过氢氧反应发电。电池没电了，只需要 换个燃料盒就行。
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固体氧化物燃料电池
目前我国已经研制成功的新型中温陶瓷膜 燃料电池，是一种以陶瓷膜作为电解质的 燃料电池。电池部件薄膜化以后，降低了 电池的内阻，提高了有用功率的输出，从 而不需要高温的条件实现了中温化，操作 温度降到700~500℃。这种新型燃料电池继 承了高温 SOFC的优点，同时降低了成本。
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碱性燃料电池
阳极反应：2H2+4OH-→4H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也 很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十 来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电 池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发 电装置。 碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非 常敏感。其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢 氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。
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三、燃料电池种类
依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池 （AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳 酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池 （SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的燃料电池均属于酸性燃料电池，不存在所谓的 中性燃料电池，只有电解质为弱酸或弱碱而接近 中性的燃料电池。燃料电池的电极反应式与其电 解质的酸碱性紧密联系。
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熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～ 700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无 污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物 燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉 等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
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从含烃的化石燃料中制氢
这是过去以及现在采用最多的方法。它是 以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来 制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来 制取氢气的基本反应过程为：
C + H 2 O → CO + H 2
用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化 800 学反应为： CH + H O ←⎯→ 3H + CO
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二、燃料电池原理
以碱性燃料电池为例： 负极：H2+2OH-→2H2O+2e正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH电池反应：H2+1/2O2 →H2O 电池结构式为： 电池H2(g),Pt|KOH|Pt,O2(g)(+)
http://www.ghzx.com.cn/geren/syh/wwaste/lanliaodianchi.htm
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质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC). 其单电 池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃 料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所， 两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子 交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源， 其阳极即电源负极，阴极为电源正极。 两电极的反应分别为： 阳极(负极)：2H2-4e=4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O
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质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池工作原理示意图
500kw质子交换膜燃料电池
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直接甲醇燃料电池
直 接 甲 醇 燃 料 电 池 —— 简 称 DMFC （DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃 料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用 甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上 早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故 不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用 水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目 前正在解决渗漏问题。
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在阴极，经电解质传输的 氢离子及负载电路流入的 电子与外部供给的氧气反 应生成水，其电极反应式 为 :1/2O2+2H++2e-→H2O 。 总反应:H2+1/2O2 →H2O。 反应模式如右图。
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为了有效地完成上述反应，电极必须有高 活性、长寿命的电催化特性，还应有良好 的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三 相反应界面。 与MCFC、SOFC等高温型燃料电池相比， PAFC系统工作温度适中(150-200℃)，构 成材料易选；启动时间短，稳定性良好， 产生的热水可直接作为人们日常生活使 用，余热利用效率高；
29
一、氢的制取
氢能是一种二次能源，在人类生存的地球 上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的 存在极少。因此必须将含氢物质分解后方 能得到氢气。 最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是 各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各 种生物质等。因此要开发利用这种理想的 清洁能源，必须首先开发氢源，即研究开 发各种制氢的方法。
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与AFC(燃料气中不允许含CO2和CO)及 PEMFC(燃料气中不允许含CO)等低温型燃 料电池相比，具有耐燃料气及空气中的CO2 能力，PAFC更能适应各种工作环境。 缺点 与AFC和PEMFC一样，PAFC须采用 贵金属催化剂，易为燃料气中CO毒化，对 燃料气的净化处理要求高；磷酸电解质具 有一定腐蚀性。
19
固体氧化物燃料电池
如果电解质是固体，就被称为固体氧化物燃料电 池，即SOFC. 高温固体氧化物燃料电池直接把化学能转化为电 能，不经过中间环节，减少能量的损失，发电效 率达45％以上，总发电率可达到85％以上。燃料 使用面广，余热利用率高。这种电池由于电解质 电导率不高，必须在高温下操作，连接密封材料 必须使用铂等稀贵金属，电池成本随之大大增加。
2010-06-11 能源与动力工程学院 27
配有燃料电池和太阳能电池板的汽车模型。
http://www.geeks.cn/shop/po/po204.htm
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6.3 氢能利用
一、氢的制取 二、氢的贮存 三、氢能利用
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4 2 2
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电解水制氢
这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：
1 H 2 + O 2 ⇔ H 2O + ΔQ 2
分解水所需要的能量△Q是由外加电能提供 的。为了提高制氢效率，电解通常在高压 下进行，采用的压力多为3.0～5.0 MPa。
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6.2 燃料电池技术
一、概述 二、燃料电池原理 三、燃料电池种类 四、燃料电池应用
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一、概述
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化 剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料 和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出 来。 从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电 池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池的概念是1839年W.R.Grove提出的，至 今已有大约160年的历史。
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四、燃料电池应用
燃料电池汽车：氢氧燃料电池+太阳能电池 板。
在燃料电池中加入蒸馏水，当有太阳照射时， 太阳能电池板把太阳能转化成电能(3V),转化的 电能可以电解燃料电池中的蒸馏水(1.5V)，生 成氢气和氧气贮于罐中。无光源时，氢气和氧 气在电池内部结合生成水，释放电能，连上电 动机带动汽车行驶。
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电解质溶液接近中性时： 负极：2H2-4e=4H+ 正极：O2+4e+2H2O=4OH当电解质溶液呈酸性时： 负极：2H2-4e=4H+ 正极：O2+4e+4H+=2H2O 当电解质溶液呈碱性时： 负极：2H2-4e+4OH-=4H2O 正极： O2+4e+2H2O=4OH-
本章内容
6.1 化学储能原理 6.2 燃料电池技术 6.3 氢能利用
2010-06-11
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6.1 化学储能原理
化学能与热能转换
化学能储热：吸收式制冷机
化学能与电能转换
制氢储能电站：利用低谷负荷电去电解水，获 得氢、氧，储存起来，高峰负荷时利用氢气作 燃料推动燃气轮机发电。
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固体氧化物燃料电池
http://hi.baidu.com/_notes/blog/item/81e8734a77de832108f7ef2c.html
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固体氧化物燃料电池
http://hi.baidu.com/_notes/blog/item/81e8734a77de832108f7ef2c.html
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熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶 瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的 燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 反应原理示意图如下： 阴 极： O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32阳 极： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 总反应： O2 ＋ 2H2 → 2H2O
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碱性燃料电池
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电 池，主要为空间任务，包括航天飞机提供 动力和饮用水。 使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾 基质，电化学反应生成电子用来为外部电 路提供能量，然后回到阴极与氧和水反应 生成更多的羟基离子。
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由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电 能，因此，它没有像普通火力发电厂那样的通过 锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可避免 过程中转换损失，达到高发电效率。此外，还具 有以下优点：（1）部分负荷时也能保持高的效 率；（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范 围的燃料；（3）由于输出功率单位由堆的输出功 率决定，故机组容量具有自由度；（4）电池本体 的负荷响应性好；（5）NOX及SOX等的排出量 少，有利于环保。
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一、概述
格罗夫当时只是做了实验，并未实用化。 1958年，剑桥大学（英国）制成了5KW的燃料电 池。 1965年，美国GE公司成功地开发出了燃料电 池，这个电池就安装在1965年的载人飞船双子星 5号上，用于供给宇航员饮用水的飞船电能。 1969年登上月球的阿波罗11号飞船上的电源也使 用了燃料电池作为飞船内电源。
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热化学制氢
这种方法是通过外加高温使水起化学分解 反应来获取氢气。到目前为止虽有多种热 化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20 ％～50％，而且还有许多工艺问题需要解 决。依靠这种方法来大规模制氢还有待进 一步研究。
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太阳能制氢
随着新能源的崛起，以水为原料、利用核 能和太阳能来大规模制氢已成为世界各国 共同努力的目标。其中太阳能制氢最具吸 引力，也最有现实意义。
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磷酸型燃料电池
磷酸型燃料电池 (PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)以磷酸 为电解质，磷酸在水溶液中易解离出氢离 子(H3PO4→H++H2POF)，并将阳极(燃料极) 反应中生成的氢离子传输至阴极(空气极)。 在阳极，燃料气中的氢气在电极表面反应 生成氢离子并释放出电子，电极反应式为： H2→2H++2e-；
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一、概述
1839年，英国人格罗夫发现氧和氢的反应 中有电能产生，即电解水的时候消耗了电 能而生成了氧和氢，反过来，从外部给阳 极一侧送入氧，给阴极一侧送入氢，就能 够产生电能和水。 这种电池以铂为电极、以硫酸为电解质， 通过氢氧反应发电。电池没电了，只需要 换个燃料盒就行。
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固体氧化物燃料电池
目前我国已经研制成功的新型中温陶瓷膜 燃料电池，是一种以陶瓷膜作为电解质的 燃料电池。电池部件薄膜化以后，降低了 电池的内阻，提高了有用功率的输出，从 而不需要高温的条件实现了中温化，操作 温度降到700~500℃。这种新型燃料电池继 承了高温 SOFC的优点，同时降低了成本。
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碱性燃料电池
阳极反应：2H2+4OH-→4H2O + 4e阴极反应：O2 + 2H2O + 4e- → 4OH碱性燃料电池的工作温度大约80℃。因此，它们的启动也 很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十 来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电 池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发 电装置。 碱性燃料电池对能污染催化剂的一氧化碳和其它杂质也非 常敏感。其原料不能含有一氧化碳，因为一氧化碳能与氢 氧化钾电解质反应生成碳酸钾，降低电池的性能。
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三、燃料电池种类
依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池 （AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳 酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池 （SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。 其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的燃料电池均属于酸性燃料电池，不存在所谓的 中性燃料电池，只有电解质为弱酸或弱碱而接近 中性的燃料电池。燃料电池的电极反应式与其电 解质的酸碱性紧密联系。
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熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～ 700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、无 污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物 燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉 等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。
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从含烃的化石燃料中制氢
这是过去以及现在采用最多的方法。它是 以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来 制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来 制取氢气的基本反应过程为：
C + H 2 O → CO + H 2
用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化 800 学反应为： CH + H O ←⎯→ 3H + CO
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二、燃料电池原理
以碱性燃料电池为例： 负极：H2+2OH-→2H2O+2e正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH电池反应：H2+1/2O2 →H2O 电池结构式为： 电池H2(g),Pt|KOH|Pt,O2(g)(+)
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质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC). 其单电 池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃 料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所， 两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子 交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源， 其阳极即电源负极，阴极为电源正极。 两电极的反应分别为： 阳极(负极)：2H2-4e=4H+ 阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O
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质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池工作原理示意图
500kw质子交换膜燃料电池
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直接甲醇燃料电池
直 接 甲 醇 燃 料 电 池 —— 简 称 DMFC （DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃 料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用 甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上 早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故 不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用 水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目 前正在解决渗漏问题。
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在阴极，经电解质传输的 氢离子及负载电路流入的 电子与外部供给的氧气反 应生成水，其电极反应式 为 :1/2O2+2H++2e-→H2O 。 总反应:H2+1/2O2 →H2O。 反应模式如右图。
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为了有效地完成上述反应，电极必须有高 活性、长寿命的电催化特性，还应有良好 的多孔扩散功能，使电极能维持稳定的三 相反应界面。 与MCFC、SOFC等高温型燃料电池相比， PAFC系统工作温度适中(150-200℃)，构 成材料易选；启动时间短，稳定性良好， 产生的热水可直接作为人们日常生活使 用，余热利用效率高；
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一、氢的制取
氢能是一种二次能源，在人类生存的地球 上，虽然氢是最丰富的元素，但自然氢的 存在极少。因此必须将含氢物质分解后方 能得到氢气。 最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是 各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各 种生物质等。因此要开发利用这种理想的 清洁能源，必须首先开发氢源，即研究开 发各种制氢的方法。
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与AFC(燃料气中不允许含CO2和CO)及 PEMFC(燃料气中不允许含CO)等低温型燃 料电池相比，具有耐燃料气及空气中的CO2 能力，PAFC更能适应各种工作环境。 缺点 与AFC和PEMFC一样，PAFC须采用 贵金属催化剂，易为燃料气中CO毒化，对 燃料气的净化处理要求高；磷酸电解质具 有一定腐蚀性。
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固体氧化物燃料电池
如果电解质是固体，就被称为固体氧化物燃料电 池，即SOFC. 高温固体氧化物燃料电池直接把化学能转化为电 能，不经过中间环节，减少能量的损失，发电效 率达45％以上，总发电率可达到85％以上。燃料 使用面广，余热利用率高。这种电池由于电解质 电导率不高，必须在高温下操作，连接密封材料 必须使用铂等稀贵金属，电池成本随之大大增加。
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配有燃料电池和太阳能电池板的汽车模型。
http://www.geeks.cn/shop/po/po204.htm
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6.3 氢能利用
一、氢的制取 二、氢的贮存 三、氢能利用
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电解水制氢
这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：
1 H 2 + O 2 ⇔ H 2O + ΔQ 2
分解水所需要的能量△Q是由外加电能提供 的。为了提高制氢效率，电解通常在高压 下进行，采用的压力多为3.0～5.0 MPa。
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6.2 燃料电池技术
一、概述 二、燃料电池原理 三、燃料电池种类 四、燃料电池应用
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一、概述
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化 剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料 和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出 来。 从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电 池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。 燃料电池的概念是1839年W.R.Grove提出的，至 今已有大约160年的历史。
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四、燃料电池应用
燃料电池汽车：氢氧燃料电池+太阳能电池 板。
在燃料电池中加入蒸馏水，当有太阳照射时， 太阳能电池板把太阳能转化成电能(3V),转化的 电能可以电解燃料电池中的蒸馏水(1.5V)，生 成氢气和氧气贮于罐中。无光源时，氢气和氧 气在电池内部结合生成水，释放电能，连上电 动机带动汽车行驶。
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电解质溶液接近中性时： 负极：2H2-4e=4H+ 正极：O2+4e+2H2O=4OH当电解质溶液呈酸性时： 负极：2H2-4e=4H+ 正极：O2+4e+4H+=2H2O 当电解质溶液呈碱性时： 负极：2H2-4e+4OH-=4H2O 正极： O2+4e+2H2O=4OH-