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
感谢您的观看汇报人：
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。
氢能与质子交换膜燃料电池
氢能与质子交换膜燃料电池【摘要】氢能作为清洁能源之一，在全球能源转型中发挥着重要作用。
质子交换膜燃料电池作为氢能的重要利用方式，具有高效、环保的特点。
本文首先介绍了氢能与质子交换膜燃料电池的基本概念，随后分析了氢能的优势和质子交换膜燃料电池的组成及工作原理。
接着探讨了质子交换膜燃料电池在各个应用领域的广泛运用，并展望了未来发展趋势。
结论指出氢能与质子交换膜燃料电池具有巨大发展潜力，将成为未来清洁能源领域的重要方向，为推动全球能源可持续发展做出积极贡献。
氢能与质子交换膜燃料电池的前景广阔，必将引领清洁能源产业迈向新的高度。
【关键词】氢能、质子交换膜燃料电池、优势、组成、工作原理、应用领域、未来发展趋势、前景1. 引言1.1 氢能与质子交换膜燃料电池简介氢能与质子交换膜燃料电池是一种利用氢气和氧气之间的化学反应产生电能的绿色能源技术。
它是一种高效、清洁的能源转换系统，被认为是未来能源发展的重要方向之一。
质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、质子交换膜和电解质等组成。
当氢气在阳极处发生氧化反应，释放出质子和电子后，质子穿过质子交换膜到达阴极，与氧气反应生成水，电子在外部电路中流动，完成电能转换。
目前，质子交换膜燃料电池已在汽车、船舶、航空、轨道交通等领域得到广泛应用。
由于其高能效、无污染和低噪音等优点，被认为是未来替代传统燃油的能源之一。
随着科技的发展，质子交换膜燃料电池仍有待进一步提高能源密度、延长寿命并降低成本等方面的挑战。
随着氢能技术的不断完善，氢能与质子交换膜燃料电池有着广阔的发展前景。
2. 正文2.1 氢能的优势氢能作为清洁能源的代表，具有许多优势。
氢气在燃烧过程中只产生水和热，没有任何有害物质的排放，对环境没有污染。
氢气可以通过电解水或者天然气重整制备，资源丰富，可再生性强，不受地理限制。
氢能具有高能量密度，可以提供持续稳定的能量供应，满足不同领域的需求。
氢能的储存和运输技术不断发展，使得氢能的利用更加便捷和高效。
燃料电池的工作原理和分类
燃料电池的工作原理和分类燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将氢气与氧气反应产生电能的化学电源，它通过将燃料（如氢气、甲醇、乙醇等）与氧气经过电化反应产生电能，是一种高效、清洁、无污染的能源转换技术。
燃料电池的工作原理是将氢气通过阳极从燃料电池进入电解质层，同时让氧气通过阴极接触电解质层，这样氢气经过堆中催化剂的作用与氧气氧化反应形成水，同时释放出电子，从而产生电能。
燃料电池的分类主要有以下几种：1、聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）聚合物电解质膜燃料电池是燃料电池中使用最广泛的一种类型，也是最具有商业化前景的燃料电池。
它采用一种聚合物电解质膜作为电解质，在膜中间为阳极和阴极分别分布两边，并在两面贴合有催化剂的电极，由于聚合物电解质膜可以通过水分子进行质子传输，所以也称为质子交换膜燃料电池。
PEMFC 的优点是启动快、反应迅速、效率高，具有能量密度高、容量大、重量轻等特点，可以在低温下运行，所以被广泛应用于汽车动力系统等领域。
2、固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池是一种以固态材料作为电解质的燃料电池，其电解质层一般采用氧离子传递材料，电极上面涂有催化剂，将氢气从阳极侧注入，氧气从阴极侧流入，反应时释放出电子和氧离子。
SOFC 的优点是电池效率高、燃料适应性强、发电环境友好等。
缺点是启动时间较长，高温下稳定性难以保证，体积较大，制造成本高等。
3、碳酸盐燃料电池（MCFC）碳酸盐燃料电池是将燃料和氧气通过催化剂反应产生电能，并且在电解质层内引入一些碳酸盐，通过扭曲形成碱性环境来促进反应的进行，同时能够达到能量的高效利用。
DMFC 的优点是可以直接使用常温常压的甲醇溶液作为燃料，体积小，重量轻，但功率输出低，效率低。
缺点是甲醇的毒性大，制造成本高等。
总的来说，不同类型的燃料电池各有特点，在不同的应用领域可以灵活选择，燃料电池的应用前景十分广阔。
氢能源汽车的燃料电池堆结构与工作原理
氢能源汽车的燃料电池堆结构与工作原理随着环境保护意识的提高和对可再生能源的需求增加，氢能源汽车作为一种无污染的交通方式逐渐受到关注。
燃料电池作为氢能源汽车的核心部件，其堆结构以及工作原理对其性能和可靠性至关重要。
一、燃料电池堆的结构燃料电池堆是由多个单元组成的，每个单元都包含两个电极和一个电解质膜。
氢气和氧气在电解质膜两侧反应产生电能。
1. 电极燃料电池堆的两个电极分别为阳极和阴极。
阳极是氢气进入的一侧，而阴极则是氧气进入的一侧。
电极通过催化剂的作用促进氢气和氧气的反应。
2. 电解质膜电解质膜是燃料电池堆的重要部分，它通常由聚合物材料制成，具有良好的离子传导性。
电解质膜的作用是将氢气和氧气分隔开，并仅允许质子通过，而阻止电子的传导。
3. 散热板散热板位于燃料电池堆的外侧，用于散热并保持适宜的工作温度。
它可以通过空气或液体循环来冷却燃料电池堆，以防止过热。
二、燃料电池堆的工作原理燃料电池堆的工作原理基于两个半反应：氧化反应和还原反应。
在阳极，氢气被分解成质子和电子。
质子通过电解质膜传导到阴极，并与氧气发生还原反应生成水。
而电子则通过外部电路流动，从而产生电能。
1. 氧化反应在阳极，氢气通过氧化反应进行分解。
催化剂在阳极表面促进氢气的分解成质子和电子的反应。
2. 还原反应在阴极，质子通过电解质膜传导到阴极，并与氧气发生还原反应，生成水。
催化剂在阴极表面促进氧气的还原反应。
3. 电子流动分离出的电子通过外部电路从阳极流向阴极，产生电流。
这一过程是燃料电池堆输出电能的关键。
三、燃料电池堆的优势与应用前景燃料电池堆作为氢能源汽车的核心技术，具有以下优势：1. 高效环保燃料电池堆以氢气为燃料，在反应过程中只产生水，无尾气排放，无污染物产生。
同时，相较于传统燃烧发动机，燃料电池堆具有更高的能量转化效率。
2. 无噪音与传统内燃机相比，燃料电池堆工作时没有爆炸噪音和机械摩擦噪音，更加安静。
3. 快速加注与电动汽车相比，燃料电池堆加注氢气的时间短，可以在几分钟内完成加注，提高使用便利性。
燃料电池高一相关知识点
燃料电池高一相关知识点燃料电池是一种能将氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气反应产生电能的装置。
燃料电池具有高效、环保、静音等特点，被广泛应用于电动汽车、无人机和家用电力系统等领域。
在高中化学学科中，燃料电池也是一个重要的知识点。
本文将介绍燃料电池的原理、分类以及应用等相关知识。
一、燃料电池的原理燃料电池的基本原理是利用电化学反应转化化学能为电能。
其中最常见的燃料电池是氢气燃料电池，反应方程式如下：2H2 + O2 → 2H2O该反应产生的电子通过外部电路流动，从而产生电能。
同时，氢气和氧气在燃料电池中通过电解质层交流，氢气被氧化为氧化剂（如氧气中的O2-），氧气被还原为还原剂（如氢气中的H+）。
二、燃料电池的分类燃料电池可以根据不同的电解质材料、工作温度和燃料类型进行分类。
1.根据电解质材料的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)质子交换膜燃料电池（PEMFC）：采用固体高分子质子交换膜作为电解质。
(2)碱性燃料电池（AFC）：采用碱性电解质溶液作为电解质。
(3)磷酸燃料电池（PAFC）：采用磷酸溶液作为电解质。
(4)固体氧化物燃料电池（SOFC）：采用固体氧化物作为电解质。
2.根据工作温度的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)低温燃料电池（LTFC）：工作温度在100℃以下。
(2)中温燃料电池（MTFC）：工作温度在100℃-300℃之间。
(3)高温燃料电池（HTFC）：工作温度在500℃以上。
3.根据燃料类型的不同，燃料电池可以分为以下几类：(1)氢气燃料电池（HFC）：以氢气为燃料。
(2)甲醇燃料电池（MFC）：以甲醇为燃料。
(3)乙醇燃料电池（EFC）：以乙醇为燃料。
(4)天然气燃料电池（NGFC）：以天然气为燃料。
三、燃料电池的应用目前，燃料电池在多个领域得到广泛应用。
1.交通工具：燃料电池被用于电动汽车以及无人机等交通工具中，取代传统的燃油发动机，以实现零排放和低噪音运行。
2.家用电力系统：燃料电池被应用于家庭能源系统中，可以为家庭供应电力和热能，提供清洁而稳定的能源。
氢燃料电池技术介绍
加强人才培养和团队建设，提升 氢燃料电池技术研发水平和创新 能力。
加强国际合作和交流，共同推 动氢燃料电池技术全球发展。
关注环境保护和资源利用，推动 氢燃料电池技术绿色、低碳、可 持续发展。
THANKS
感谢观看
05
面临挑战及发展趋势预测
生产成本降低途径探讨
规模化生产
通过提高氢燃料电池的生产规模，降低单位产品的生 产成本。
材料优化
研发更廉价、更高效的电极、电解质和催化剂等材料 ，减少贵金属等材料的使用。
制造工艺改进
优化生产工艺流程，提高生产自动化程度，降低制造 成本。
基础设施建设需求及政策支持情况
加氢站建设
其他储氢技术
包括化学储氢、物理吸附储氢 等。
氢燃料电池堆结构与工作原理
01
电池堆结构
由多个单体电池串联而成，每个单体电池包括阳极、阴极和电解质膜。
02
工作原理
氢气在阳极上被分解成氢离子和电子，氢离子通过电解质膜传递到阴极
，电子则通过外部电路传递到阴极，与氧气结合生成水并释放电能。
03
关键部件
阳极、阴极、电解质膜、密封件、双极板等。
氢燃料电池的使用有 助于减少温室气体排 放，缓解全球气候变 暖问题。
氢燃料电池在运行过 程中无噪音和振动， 提高了驾驶的舒适性 。
快速加注时间和长续航里程
氢燃料电池的加注时间仅需几 分钟，与传统燃油车加油时间 相当，远快于电动车的充电时 间。
氢燃料电池的续航里程可达 500公里以上，满足了长途行 驶的需求。
06
总结与展望：推动氢燃料电池技 术可持续发展
回顾本次项目成果和收获
成功研发高效氢燃料电池 堆，提高能量密度和输出 功率。
第三章-氢能材料与器件
3.2 电化学催化
影响电催化性能的因素
B. 电催化活性的主要影响因素 ⑶催化剂的载体对电催化活性有很大影响 电催化剂的载体包括：基底电极（贵金属电极、碳电 极）、将电催化剂固定在电极表面的载体。
载体的作用 : a.仅作为一种惰性支撑物，催化剂负载条件不同只引起活 性组分分散度的变化； b.与活性组分存在某种相互作用，修饰了催化剂的电子状 态，可能会显著地改变电催化剂的活性和选择性；
2
3.1 概述
氢能源的特点：
①除核燃料外，在所有化石、化工及生物燃料中氢的发热值是 最高的，为120MJ/kg，是汽油发热值的3倍。 ②氢燃烧性能好，在空气中可燃范围广，而且燃点高、燃烧速 度快。 ③氢本身无毒，且燃烧时最清洁，不会产生诸如一氧化碳、二 氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染 物质。 ④氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机 中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成 固态氢用作结构材料。 ⑥氢可以以气态、液态或固态的氢化物形式出现，能适应储运 及各种应用环境的不同要求。
8
3.2 电化学催化
电催化与常规化学催化及电化学反应的区别
• 常规化学催化：
① 反应物和催化剂之间的电子传递在限定的区域内进行，反应过 程中既不能从外电路送入电子，也不能从反应体系导出电子或 获得电流
② 电子的转移过程无法从外部加以控制
③ 反应主要以反应的焓变化为目的
• 电极催化反应：
① 有纯电子的转移
① 电解法制氢---是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为 原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程。提供电能使水 分解制得氢气的效率一般在75~85%，其工艺过程简单，无污 染，但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。
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第一章：引言燃料电池是一种新型的能源转换技术，它可以将化学能转化为电能，没有明显的排放污染物，具有高效、环保和可再生等优点。
燃料电池主要包括质子交换膜燃料电池、碱性交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池等。
其中，质子交换膜燃料电池是研究最为深入、应用最为广泛的一种燃料电池，其核心部件为聚合物电解质膜。
本文将针对聚合物电解质膜在质子交换膜燃料电池中的应用研究进行探讨。
第二章：聚合物电解质膜2.1 基本概念聚合物电解质膜是质子交换膜燃料电池中的关键部件之一，它主要通过质子交换作用实现燃料电池的电化学反应。
聚合物电解质膜可以分为有机聚合物电解质膜和无机聚合物电解质膜两类。
其中，有机聚合物电解质膜在质子交换能力、机械强度、热稳定性等方面具有较好的性能，是质子交换膜燃料电池中的主要选择。
2.2 材料特性聚合物电解质膜主要具有以下特性：(1) 高的离子交换容量和质子传递速率；(2) 优异的热稳定性和机械性能；(3) 良好的湿润性和防水性；(4) 能够抵抗氧化还原环境的腐蚀。
2.3 合成方法聚合物电解质膜根据其结构和性能特点，可以采用不同的合成方法。
常见的合成方法包括：(1) 化学交联法：将聚合物分子与交联剂进行交联，形成一种网络结构的电解质膜。
(2) 自由基聚合法：将单体和交联剂共混后，通过加热或紫外线等方式进行聚合。
(3) 质子交换法：将氢气和电解质膜进行反应，使电解质膜中的基团发生质子交换，提高电解质膜的离子交换容量和质子传递速率。
第三章：聚合物电解质膜在质子交换膜燃料电池中的应用研究3.1 综述质子交换膜燃料电池作为一种新型的清洁能源技术，在交通工具、家庭用电等领域有着广泛的应用前景。
其中，聚合物电解质膜作为燃料电池的核心部件，对电池的性能和稳定性具有重要影响。
因此，聚合物电解质膜的研究已成为燃料电池领域的重点之一。
3.2 聚合物电解质膜的改性聚合物电解质膜的性能可以通过改性的方式进行提高。
氢能源在燃料电池中的应用
氢能源在燃料电池中的应用随着环境保护和可持续发展意识的日益增强，新能源不断涌现。
氢能作为一种优质的可再生能源，其在燃料电池中的应用备受关注。
本文将从氢能的优势、燃料电池的工作原理和氢能在燃料电池中的应用三个方面进行探讨。
1. 氢能的优势氢能源具有以下优点：清洁、高效、可存储、可再生、无污染和广泛的来源等。
首先，氢气在燃烧时只产生水和热，不含有害气体和污染物，具有非常清洁的能量来源。
其次，氢能源的能量密度高，燃烧时放出的热量远远超过同重量的化石能源，能够提供更高效的能量供应。
此外，氢气可以通过多种方式储存，如液态、压缩氢气、化学反应等方法，可在不同场景下进行储存和运输，可以方便地进行使用。
最后，由于氢气来源广泛，可以通过太阳能、风能、水力发电等可再生能源产生，这使得氢能源具有可持续性和可再生性。
2. 燃料电池的工作原理燃料电池是将化学能直接转化为电能的设备，其主要原理是在电极上对反应物进行氧化还原反应，产生电子流。
电池由阴极、阳极和电解质三部分构成。
阴极和阳极分别用氢气和氧气作为反应物，在电解质中发生氧化还原反应，将化学能转化为电能。
燃料电池的作用原理与电池类似，但不像一般电池那样存在储存电荷这一过程。
在燃料电池中，电能是通过化学能直接转化来产生的，因此它的使用寿命较长，噪音和振动也相对较小。
3. 氢能在燃料电池中的应用氢能在燃料电池中的应用有以下几种：直接燃料电池、碱性燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
其中，聚合物电解质膜燃料电池应用最为广泛。
聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）是一种使用聚合物膜作为基底的电池。
它的阴阳极用氢气和氧气来进行反应，产生电子流以产生电力。
相比于传统的内燃机汽车，PEMFC 燃料电池车可以实现更高效、更清洁的燃料使用。
通过利用氢气作为燃料，PEMFC 燃料电池车能够大大减少尾气排放，并降低噪音和震动。
此外，氢气是一种可再生能源，可以通过可再生能源产生氢气进行储存和使用，从而实现零排放的目标，对环境保护起到了积极的作用。
氢能燃料电池工作原理
氢能燃料电池工作原理氢能燃料电池的主要组成部分包括电解质膜、阳极、阴极和集流板等。
阳极和阴极之间的电解质膜起到了电解液的密封和离子传递的作用。
在阳极上，氢气被分解成质子和电子，质子穿过电解质膜前往阴极，而电子则通过外部电路流向阴极，从而产生电流。
在阴极上，质子、电子及氧气在电解液的参与下发生反应生成水。
这个过程可以简化为两个半反应：在阳极上：2H₂→4H⁺+4e⁻在阴极上：O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O整个反应过程可以总结为：2H₂+O₂→2H₂O可以看出，氢能燃料电池主要是通过氧化还原反应来产生电能。
氢气在阳极上被氧化成质子和电子，而氧气在阴极上被还原成水。
质子通过电解质膜传递到阴极，而电子则通过外部电路流向阴极，在流动的过程中产生电能。
在氢能燃料电池中，选择适当的电解质膜是非常重要的。
电解质膜需要同时具备良好的离子传导性能和气体的阻隔性能。
常用的电解质膜包括质子交换膜（PEM）和氢氧化物膜（AEM）。
质子交换膜只允许质子通过，而氢氧化物膜则允许氢离子和氧离子都能够通过。
氢能燃料电池的工作过程还需要一定的催化剂来促进反应速率。
常用的催化剂有铂、钯和铑等贵金属。
这些催化剂能够降低氢气和氧气的反应活化能，从而加快反应速率。
通过优化催化剂的使用量和分布，可以提高燃料电池的性能和经济性。
除了电解质膜、催化剂和电极材料之外，氢能燃料电池还需要电流收集和散热等辅助装置。
电流收集由集流板实现，它负责收集由阳极和阴极流向外部电路的电流。
散热装置则用于控制燃料电池的温度，避免过热或过冷。
总的来说，氢能燃料电池是一种高效、清洁的能源转换装置。
通过将氢气和氧气反应生成水，同时释放出电能，实现能源的利用和转换。
随着对清洁能源的需求增加和技术的进步，氢能燃料电池有望在未来得到更广泛的应用。
燃料电池的材料选择与性能要求分析
燃料电池的材料选择与性能要求分析燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其工作原理是通过氧化还原反应将氢气和氧气转化为水，同时释放出电流。
燃料电池的核心是电解质膜，它起到隔离氢氧两种气体并传导离子的作用。
除了电解质膜，燃料电池的材料选择还涉及阳极、阴极、催化剂等多个部件，这些材料的性能要求直接影响整个燃料电池的效率和稳定性。
首先，电解质膜的材料选择是燃料电池设计中最具挑战性的一部分。
电解质膜应具备以下性能要求：高离子传导性、化学稳定性、机械强度、耐温性、低电子导电性和低渗透性。
常用的电解质膜材料有固体聚合物膜、磷酸盐玻璃膜和氧化物陶瓷膜。
聚合物膜作为最常用的电解质膜材料，具有较高的离子传导性和较低的电子传导性，但其化学稳定性和耐温性相对较差；而陶瓷类电解质膜具有较好的耐温性和化学稳定性，但离子传导性较差。
其次，阳极和阴极的材料选择对于燃料电池的性能也至关重要。
阳极应具备良好的氢气氧化反应活性和较低的电子电导率，常用的阳极材料有铂、铂合金、镍等。
铂具有优异的催化活性，但成本较高；铂合金能够降低材料成本并提高催化活性；而镍则具有较低的成本和较高的活性，但对于材料的耐腐蚀性和稳定性有一定要求。
阴极的选择主要考虑氧还原反应的活性，常用的材料有铂、铂合金和钴钼等。
铂和铂合金也是常见的阴极材料，能够提供较好的反应活性，而钴钼则更适用于碱性燃料电池。
最后，催化剂是燃料电池中不可或缺的一部分，它能够促进氢气和氧气之间的反应。
常用的催化剂材料有铂、镍、钼等。
铂是最常见的催化剂材料，因为它在燃料电池反应中具有较高的活性，但其成本较高；镍和钼则具有较低的成本，但活性相对较低。
因此，催化剂的选择需要在成本和活性之间进行权衡。
综上所述，燃料电池的材料选择与性能要求是一个复杂而关键的问题。
除了电解质膜、阳极、阴极和催化剂的选择外，还需要考虑材料的成本、稳定性、耐腐蚀性和制备工艺等因素。
随着科技的进步和材料研究的不断发展，相信在未来会有更多新材料的应用，提升燃料电池的性能和推动其在各个领域的广泛应用。
氢能与燃料电池的原理
氢能与燃料电池的原理氢能与燃料电池是当前国际上研究和应用最广泛的清洁能源技术之一、氢能是一种高能、高效、环保的能源形式，而燃料电池则是将储存的氢能转化为电能的设备。
本文将分别介绍氢能和燃料电池的基本原理，进而探讨其应用前景和未来发展方向。
氢能的基本原理是将氢气（H2）与氧气（O2）进行反应，产生水（H2O）同时释放大量的能量。
这个反应过程如下：2H2+O2→2H2O+能量氢气和氧气的反应生成的能量具有高效率和零排放的优点。
实际上，氢气具有很高的能量密度，比转石油或煤炭更高，同时燃烧产物只有纯净的水。
这就是为什么氢能被认为是一种清洁能源的原因。
然而，氢气在自然界中并不存在，它需要通过水解、碳热转化或化石燃料转化等方式来进行生产。
其中，水解是最常用的方法，即通过电解水来将水分解成氢气和氧气。
这一过程需要将电能输入到水分子中，分解水成氢气和氧气。
燃料电池则是一种将储存的氢能转化为电能的设备。
其工作原理与电池类似，由两个极板（阳极和阴极）和一个电解质层构成。
燃料电池中的氢气通常通过阳极进入，而氧气通常通过阴极进入。
在阳极处，氢气通过一个催化剂和电解质反应，产生电子和氢离子。
电子随后通过一个外部电路，从而产生电流。
同时，氢离子穿过电解质层传到了阴极处。
在阴极处，氢离子、电子和氧气反应生成水，并释放出能量。
燃料电池可以按照不同的电解质材料分类，常见的有PEMFC（质子交换膜燃料电池）、SOFC（固体氧化物燃料电池）和AFC（碱性燃料电池）等。
这些不同类型的燃料电池有各自的优缺点和应用场景。
目前，氢能和燃料电池技术已经在许多领域得到了广泛应用。
例如，燃料电池车辆已经成为可行的替代传统燃油车的解决方案，它们可以在零排放的情况下提供高效能源。
此外，燃料电池也可以用于航空航天、微型电源、能源储存等领域。
然而，氢能和燃料电池技术在实际应用中仍然面临一些挑战。
首先，氢气的产生、存储和配送成本仍然较高，这限制了氢能的大规模应用。
氢能源电池原理
氢能源电池原理氢能源电池是一种利用化学反应产生电能的设备，在这种设备中，氢气和氧气在电化学反应的作用下产生水和电能。
氢能源电池作为一种新兴的清洁能源技术，其原理和应用受到了广泛的关注。
氢能源电池的原理是基于氧化还原反应的原理。
氧化还原反应是指化学物质中的原子失去或获得电子的过程。
在氢能源电池中，氢气被氧化成水，同时电子被释放出来，这些电子通过电路流动，产生电能。
反应方程式可以表示为：2H2 + O2 → 2H2O + 2e-。
氢能源电池的基本组成部分包括电极、电解质和催化剂。
电极是氢气和氧气反应的场所，电解质是电子和离子的传递介质，催化剂则是加速反应速率的物质。
氢能源电池中常用的电极材料包括铂、铂合金、氧化铁等，电解质一般使用酸碱或高分子电解质，催化剂则常使用铂、铑、钯等贵金属。
氢能源电池有多种类型，包括碱性电池、聚合物电解质膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
其中，聚合物电解质膜燃料电池是最常见的类型，它的电解质是一种高分子材料，可以有效阻止电解质中氢离子和氧离子的混合，从而提高电池效率。
氢能源电池的应用领域包括汽车、航空航天、军事、物流等。
在汽车领域，氢能源电池可以替代传统的内燃机，实现无排放、无噪音的驾驶体验。
在航空航天领域，氢能源电池可以为无人机、卫星等提供长时间、高效的能源支持。
在军事领域，氢能源电池可以为军队提供紧急电源支持。
在物流领域，氢能源电池可以为船舶、货车等提供清洁、高效的动力源。
氢能源电池作为一种新型的清洁能源技术，其原理和应用前景十分广阔。
未来随着技术的不断进步和成本的不断降低，氢能源电池有望成为能源转型的重要选择。
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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