新能源技术08氢能与燃料电池

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1、,*,新能源与分布式发电,氢能与燃料电池,震惊世界,的,的爆炸,读一下教,材,材第,8,章的引例,故,故事，相,信,信你一定,能,能感受到,氢,氢能的巨,大,大威力,如果氢的,能,能量只被,用,用于改善,人,人类的生,存,存和生活,条,条件，那,么,么将是人,类,类的一大,福,福音。,8,氢能与燃,料,料电池,关注的问,题,题,怎样才能,从,从各种化,合,合物中制,取,取氢气？,氢气应该,如,如何保存,？,？,燃料电池,是,是怎样工,作,作的？,燃料电池,有,有哪些类,型,型？,各种燃料,电,电池的原,理,理和特点,？,？,燃料电池,可,可以在哪,些,些场合应,用,用？,教学目标,了解氢和,氢

2、,氢能的特,点,点及其利,用,用情况，,掌握主要,的,的氢的制,取,取和储存,方,方式，,了解燃料,电,电池的工,作,作原理和,主,主要类型,，,，,理解燃料,电,电池的特,点,点和应用,价,价值。,8.1,氢和氢能,概,概述,8.1.1,氢和氢能,氢是宇宙,中,中最丰富的,元,元素，在地球,上,上的含量,排,排第三。,除了空气,中,中的少量,氢,氢气，绝,大,大部分氢,元,元素都以化合物形态存在,，,，主要存,在,在水中。,若把全球,水,水中的氢,都,都提炼出,来,来，约有,15,亿亿吨，,所,所产生的,热,热量是地,球,球上化石燃料,的,的,9000,倍。,氢在元素,周,周期表中,排,排在

3、首位,，,，是已知最轻的元,素,素。标准状,态,态下，氢,气,气为无色无味,的,的气体，密度是,空,空气的,1/14.5,。,发现故事,：,：氢的发现,和,和命名,8.1.2,氢能及其,利,利用方式,氢能主要是指,氢,氢元素燃烧、发生化学反应或核聚变时释放的,能,能量。,想一想：,氢,氢能是一,次,次能源还,是,是二次能,源,源？,利用氢能,的,的方式很多，包,括,括：,直接作为,燃,燃料提供热能或在热力发动机中,做,做功；,制造燃料电池，在催化,剂,剂作用下,进,进行化学,反,反应生产,电,电能；,利用氢的热核反应释放出核,能,能；等等,。,。,（,1,）氢燃料,氢的含热量很,高,高，燃烧时

4、,释,释放热量,140MJ/kg,。,氢气燃烧性能好，点燃,快,快，燃点,高,高，混入,4%74%,的空气时,仍,仍能稳定,燃,燃烧。,氢是最清洁的燃料，,燃,燃烧后只,生,生成水和,微,微量的氮,化,化氢。氮,化,化氢经适,当,当处理后,也,也不污染,环,环境。,将来，氢,有,有可能取,代,代石油，,成,成为使用,最,最广泛的,燃,燃料之一,。,。,8.1.2,氢能及其,利,利用方式,（,2,）氢的核,聚,聚变,氢的核能,利,利用，理,论,论基础是,爱,爱因斯坦,的,的相对论。发生质,量,量亏损时,释,释放出的,能,能量为,E=mc,2,。,1g,的氢聚变,为,为氦，质,量,量损失,0.71

5、1%,，能释放,多,多少能量,？,？,氢的核聚变能,量,量比铀原子,核,核裂变释,放,放的能量,大,大若干倍,。,。且核聚变,过,过程中没有放射,性,性，对环境无污染。,一旦受控,的,的氢核聚,变,变获得成,功,功，人类,的,的能源与,环,环境问题,将,将得到根,本,本的解决,。,。,8.1.2,氢能及其,利,利用方式,（,3,）氢燃料,电,电池,参见后面,燃料电池,的内容。,8.1.2,氢能及其,利,利用方式,氢能可以,输,输送、储,存,存、大规,模,模生产并,且,且能再生,利,利用，基,本,本无污染,，,，具有无,可,可比拟的,潜,潜在开发,价,价值。,16,世纪就有人在金属与酸的反应中得

6、到过氢,气,气。,1766,年有论文详,细,细介绍了,氢,氢气的制备方法,和,和性质。,1938,年，有人提,出,出以氢为航空器燃,料,料的设想。,1950s,，加拿大,尝,尝试把氢,作,作为普通内燃,机,机燃料，美国开,始,始研究用液氢作为军用,飞,飞机的飞行燃科。,8.1.3,氢能的应,用,用历史,由于液氢,的,的优良燃,烧,烧特性和,能,能量密度,，,，广泛的,用,用于卫星,和,和航天器,的,的火,箭,箭,发,发,动,动,机,机中,。,。,1960s,以,后,后,，,，燃,料,料,电,电,池,池发,展,展,起,起,来,来,，,，,又,又,给,给,氢,氢,能,能,的,的,利,利,用,用,开

7、,开,辟,辟,了,了,一,一,个,个,新,新,的,的,领,领,域,域,。,。,以液,氢,氢,为,为,原,原,料,料的,燃,燃,料,料,电,电,池,池电,动,动,车,车，,已,已,进,进,入,入,商,商,业,业,化,化,生,生,产,产,阶,阶,段,段,。,。,8.1.3,氢,能,能,的,的,应,应,用,用,历,历,史,史,氢,能,能,和,和,平,平,利,利,用,用,的,的终,极,极,梦,梦,想,想就,是,是,受,受,控,控,的,的氢,核,核,聚,聚,变,变。,其,其,原,原,料,料,可,可,直,直,接,接,取,取,自,自,海,海,水,水,中,中,的,的,氘,氘,。,。,科,学,学,家,家,预,预

8、,测,测,，,，氢,能,能,和,和,电,电,能,能将,成,成,为,为,未,未,来,来,能,能,源,源,体,体,系,系,的,的两,大,大,支,支,柱,柱。,8.2,氢,的,的,制,制,取,取,氢,能,能，,通,通,常,常,指,指,游,游,离,离,的,的分,子,子,氢,氢,H,2,所,具,具,有,有,的,的,能,能,量,量,。,。,地,球,球,上,上,的,的,氢,氢,元,元,素,素,相,相,当,当,丰,丰,富,富,，,，,但,但游,离,离,态,态,的,的,很,很,稀,稀,少,少。,氢通常,以,以化合,物,物形态,存,存在于,水,水、生,物,物质和,矿,矿物质,燃,燃料中,。,。从这,些,些物质,中

9、,中获取,氢,氢，需,要,要消耗,大,大量的,能,能量。,（,1,）煤为,原,原料制,氢,氢,煤制氢,的,的本质,是,是用碳置,换,换水中的氢，生成,H,2,和,CO,2,。发生的,化,化学反,应,应是,C+2H,2,OCO,2,+2H,2,方法主,要,要有两,种,种：,一是煤,的,的焦化，隔绝空,气,气以,9001000,高温制取焦碳，副产,品,品为焦炉煤,气,气（含,55,60,的氢,气,气）。,二是煤,的,的气化，在高,温,温下与水蒸汽或氧气,(,空气,),等发生,反,反应转,化,化成气,体,体产物,。,。氢气,含,含量与,气,气化方,法,法有关,。,。,8.2.1,化石燃,料,料制,氢

10、,（,2,）天然,气,气制氢,天然气,的,的主要,成,成分甲,烷,烷含有,氢,氢元素,，,，制氢,方,方式主,要,要有两,种,种。,天然气,蒸,蒸汽转,化,化制氢，其,化,化学反应,为,为,CH,4,+2H,2,O 4H,2,+CO,2,这种传统,制,制氢过程,伴,伴有大量,的,的二氧化,碳,碳排放。,甲烷,(,催化,),高温裂解,制,制氢，制取,H,2,的同时，,还,还能得到,碳,碳，而不,向,向大气排,放,放,CO,2,。该法技,术,术简单，,但,但是制造,成,成本不低,。,。,8.2.1,化石燃料,制,制,氢,（,3,）重油部,分,分氧化制,氢,氢,重油部分,氧,氧化过程中碳,氢,氢化合

11、物,与,与,O2,、水蒸气,反,反应生成,H2,和,CO2,。,要在一定的压,力,力下进行，,可,可能还需,要,要采用催,化,化剂。,制得的氢主要,来,来自水,蒸,蒸气。,8.2.1,化石燃,料,料制,氢,目前，,氢,氢气大,多,多是以石油、,天,天然气,和,和煤为主要,原,原料制,取,取的。,化石燃,料,料制造,氢,氢气的,传,传统方,法,法，会排放大,量,量的温,室,室气体，对环,境,境不利,。,。,氢大多,存,存在水,中,中，将,水,水分解,制,制取氢,气,气是最,直,直接的,方,方式。,8.2.2,水分解,制,制,氢,（,水的,电解过程,就是在,导电的水溶液,中通,电,，将水分解成,H

12、,2,和,O,2,。,其反应式为：,水电解,操,操作简,便,便，制,得,得的氢气纯,度,度高，但需消耗电,能,能。,常压下,电,电解制,氢,氢的能,量,量效率,一,一般在,70%,左右。,为,为提高,效,效率，,通,通常在,3.05.0MPa,的压力,下,下进行,。,。,（,2,）高温,水,水蒸气,分,分解制,氢,氢,水直接,分,分解需,要,要,2227,以上的温度,，,，工程实现,难,难度很大。,为,为降低分解,温,温度，可采,用,用多步骤热,化,化学反应制,造,造氢气。,其化学反应,通,通式为,X,为中间媒体，仅参与反,应,应，并不消,耗,耗，但是因,其,其反应呈气,态,态，很易和,氧,氧

13、气发生反,应,应而重新生,成,成氧化物。,因,因此，需将,它,它们从产物,中,中分离出来,。,。整个过程,仅,仅仅消耗水,和,和一定的热,量,量。,8.2.2,水分解制,氢,（,3,）等离子体,制,制造氢气过,程,程,用电场电弧能将水加热,到,到,5000,，分解成,H,、,H,2,、,O,、,O,2,、,OH,和水。,要使等离子,体,体中氢组分,含,含量稳定，,就,就必须使氢,不,不再和氧结,合,合。该过程能耗很高，因而制氢成本很高。,8.2.2,水分解制,氢,我国的氢气,生,生产，除了,用,用化石燃料以外，其余,的,的主要都通,过,过水电解法生产。不产,生,生温室气体,，,，但是生产,成,

14、成本较高。,趣闻：神秘的海面,大,大火,（,1,）,生,生,物,物,质,质,气,气,化,化,制,制,氢,氢,将,生,生,物,物,质,质,原,原,料,料压,制,制,成,成,型,型，,在,在气,化,化,炉,炉（,或,或,裂,裂,解,解,炉,炉,）,）,中,中,进,进,行,行,反,反,应,应,制,制,得,得含,氢,氢,的,的,混,混,合,合,燃,燃,料,料,气,气。,其,中,中,的,的,碳,碳,氢,氢,化,化,合,合,物,物,再,再,与,与,水,水,蒸,蒸,气,气,发,发,生,生,反,反,应,应,，,，,生,生,成,成,H,2,和,CO,2,（,参,参,见,见,天,天,然,然,气,气,制,制,氢,氢

15、,）,）。,8.2.3,生,物,物,制,制,氢,（,2,）,微,微,生,生,物,物,制,制,氢,氢,在,常,常,温,温,常,常,压,压,下,下,利,利,用,用微,生,生,物,物进,行,行酶,催,催,化,化反,应,应,制,制,得,得,氢,氢,气,气,。,。,用,于,于,制,制,氢,氢,的,的,微,微,生,生,物,物,有,有,两,两,大,大,类,类,：,：,光,光,合,合,细,细,菌,菌或,藻,藻,类,类,，,，,在,在,光,光,照,照,作,作,用,用,下,下,使,使,有,有,机,机,酸,酸,分,分,解,解,出,出,H2,和,CO2,；,厌,厌,氧,氧,菌,菌，,利,利,用,用,碳,碳,水,水,化

16、,化,合,合,物,物,及,及,蛋,蛋,白,白,质,质,等,等,，,，,发,发,酵,酵,产,产,生,生,H2,、,CO2,和,有,有,机,机,酸,酸,。,。,江,河,河,湖,湖,海,海,中,中,的,的,某,某,些,些,藻,藻,类,类,、,、,细,细,菌,菌,，,，,有,有,这,这,种,种,功,功,能,能,。,。,8.2.3,生,物,物,制,制,氢,（,1,）,间,间,接,接,制,制,氢,氢,太,阳,阳,能,能,间,间,接,接,制,制,氢,氢,法,法,主,主,要,要,是,是太,阳,阳,能,能,发,发,电,电电,解,解,水,水,制,制,氢,氢。,未,来,来规,模,模,化,化制,氢,氢,最,最,具,具,有,有,吸,吸,引,引,力,力,且,且,最,最,具,具,现,现,实,实,意,意,义,义,的,的,途,途,径,径,。,。,8.2.4,太,阳,阳,能,能,制,制,氢,（,2,）,直,直,接,接,制,制,氢,氢（,两,两,种,种,方,方,法,法,）,）,热,分,分,解,解,法,法，用太,阳,阳,能,能直,接,接裂,解,解,水,水，,得,得,到,到,氢,氢,和,和,氧,氧,。,。,须,须,将,将,水,