上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 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) 强 AMALLMMRAR SHANG 1日G
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)
上游充通大学 本章主要内容 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 氢能 工业制氢 研究热，点 国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 性能要求 结构-性能关系 问题与挑战
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 性能要求 结构-性能关系 问题与挑战
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 氯能(H2)的特点 清洁、高效 每千克氢燃烧后的热量为142.35MJ,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 H20 =H2 重要的化工原料 合成氨（化肥) √有机化工
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
上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 氦能产业链 生产 原料、工艺路线、纯化等 储存 物理方式 √化学方式 加氢站 运输 √管道运输（安全性？） ©使用
氢能产业链 生产 原料、工艺路线、纯化等 储存 物理方式 化学方式 加氢站 运输 管道运输（安全性？） 使用
上降充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 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%C0+其它 净化处理 城市煤气 氢气 文献：谢继东等，《洁净煤技术》2007年第2期77-81页
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 氢气 净化处理 文献：谢继东等，《洁净煤技术》2007年第2期77-81页
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 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： C+H20 C 0+H2 C0+H20C02+H2 工艺流程： 煤 气化 煤气净化 C0变换 H,提纯 H产品 气化剂 灰渣 副产品硫 水蒸气 尾气 副产品C0
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:
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 关键技术 > 煤的气化技术 √气化效率（反应速率) ·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/C02)分离技术 √节能、环保 ·膜分离（高效分离膜) ·变压吸附
关键技术 煤的气化技术 气体（H2 /CO2 ）分离技术 气化效率（反应速率） • 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） • 膜分离（高效分离膜） 节能、环保 • 变压吸附
上浒充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 气体分离膜 >无机多孔膜 ·分子筛膜(Zeolite membrane) Alumino-silicate(SiO,和AlO4四面体) 化学组成：Mxn[(A1O2)x(SiO2y]ZH2O (Si+AI)/O=1/2 Molecular Sieve Type A 气体分子尺寸(Lennard-Jones diameter) Gas D(nm) H2 0.292 02 0.343 N2 0.368 C02 0.400 Molecular Sieve Type X
气体分离膜 无机多孔膜 • 分子筛膜（Zeolite membrane） Alumino-silicate (SiO4和AlO4四面体) (Si +Al)/O = 1/2 Gas D (nm) H2 0.292 O2 0.343 N2 0.368 CO2 0.400 气体分子尺寸（Lennard-Jones diameter） Molecular Sieve Type A Molecular Sieve Type X 化学组成：Mx/n[(AlO2 )x (SiO2 )y ]zH2O
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY ·碳分子筛膜(Carbon molecular sieve membrane) 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 Membrane ·自由体积(Free Volume) ·溶解-扩散模型 diffusion
• 碳分子筛膜（Carbon molecular sieve membrane） 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 diffusion Membrane
上游充通大学 变压吸附(Pressure Swing Adsorption) SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY >气体吸附量-压力 Activated Carbon(BPL) 10 10 10 c0 CH,CO Kin (molkg"atm") 3.8105 10 10 Zeolite 5A =6960 36 10 18 10 10 Kin(molkg"atm) 2.0x10年 10 LLLL 10 10 10 10 10 102 Partial pressure(atm) Ref.D.D.Papadias,et al.Internationa journal of hydrogen energy 37(2012)14413
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