第三章_氢能和燃料电池

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1、第三章氢能和燃料电池HydrogenEnergyandFuelCell米万良2006年9月北京科技大学热能工程系ThermalEnergyEngineeringDepartment,TheUniversityofScienceandTechnologyBeijingwlmi@me.ustb.edu.cn1参考书目《太阳能利用技术》罗运俊，何梓年，王常贵，化学工业出版社，北京，2005年《氢能-21世纪的绿色能源》-毛宗强，化学工业出版社，北京，2005年21.概论13.燃料电池2.氢简介14.氢内燃机3.水制氢15.燃料电池和交通工具4.化石能源

2、制氢16.家庭及微型燃料电池5.生物质制氢17.氢的安全6.其他制氢方法18.氢能与材料7.氢的纯化19.迎接氢能经济时代8.太阳能-氢能系统9.氢的储存10.碳材料储氢11.氢的输运与加注12.核聚变内容提要33.1概论（Introduction）石油、天然气、煤炭使用时间有限；汽车、火车、轮船、飞机的大量普及。3.1.1化石能源的短缺我国一次能源消费结构3.1.2环境的要求3.1.3可持续发展的压力能源安全2000年石油进口依存度达31%其中70%的进口来自中东，经马六甲海峡，台湾海峡。美国与伊拉克，沙特43.1概论（Introduction

3、）3.1.4氢能的利用方式直接燃烧。----------火箭推进剂，内燃机等燃料电池发电。------水热电联供系统核聚变。------------氢弹，300美元/1kg氘，1.2万美元/1kg浓缩铀,能量巨大，聚变能可用几亿年。三种方式3.1.5氢能是能源历史的必然有趣的H/C现象：柴薪0.1,煤炭0.7，石油1.8，天然气3.5，氢固体-液体-气体的过程。从长远的观点来看：太阳能和核聚变能使人类最终的能源。53.1概论（Introduction）3.1.5氢能是能源历史的必然氢成为永恒的能源的原因：氢的资源丰富-------------水

4、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63.2氢简介3.2.1氢的发现过程氢的原始形成：宇宙大爆炸理论，爆炸产生一种合力，后分解为重力、电磁力和核力，形成质子，然后与中子结合成氢的同位素等，最后，质子与电子结合形成氢原子。氢的发现史：1766年，亨利.卡文迪什在自

5、己家中建立实验室，测出水银上方的易燃气体，并正确描述了氢的性质。1931年，哈罗德.尤里发现氘。后来英美化学家又发现了氚。3.2.2氢的分布地球上的氢：氢在地壳约是第十丰富的元素，按质量计，占地壳的1%。空间中的氢：氢在地球大气内层占50%，大气外层占70%。人体中的氢：氧、碳、氢、氮、钙、磷分别占61%，23%，10%，2.6%，1.4%，1.1%。73.2氢简介3.2.2氢的性质氢的原子结构和分子结构：宇氢的电子组态1S1,极易形成氢键。两个氢原子由共价键连接形成氢分子。氢的物理性质：原子量1.008，分子量2.016，无色无味，极难溶于水和

6、也难液化。H-H键长0.074m，键能436kJ/mol，扩散系数（295K）H2-O20.8cm2/s，氢的化学性质：与金属的反应，H2+2Na—2NaH加成反应，H2+CO---CH3OH原子氢与某些物质的反应，3H+As—AsH383.2氢简介3.2.3氢键氢键的形成：当一个水分子的氢原子接近另一个水分子的氧原子时，形成所谓的氢键，这种键比一般的键弱1/20，但作用很大。作用：脱氧核糖核酸分子才能进行精确编码，而使信息世代相传，氢键是最微妙的生命活动的基础。3.2.4正氢和仲氢正氢和仲氢是氢的两种同素异形体。当两个原子都顺时针旋转时，他们

7、的自旋方向平行，即为正氢当两个原子核自旋方向反向平行时，则为仲氢。组成：通常为二者的混合物，存在化学平衡。零摄氏度度以上正氢占75%，零度以下二者比例随温度变化。93.2氢简介3.2.5氢的形态液氢的制造三种液化方法：节流氢液化循环、带膨胀机的氢液化循环和氦制冷氢液化循环。其中，带膨胀机的循环效率最高。凝胶液氢：为提高液氢的密度，加入胶凝剂，成为凝胶液氢。可以较少液氢的蒸发损失。泥氢：液氢和固体氢的混合物。固体氢：液氢进一步冷却到-259.2℃，变成固体，当在很高的压力下，半导体、绝缘体以及固体氢可成为金属态。固体氢的用途：冷却器、高能燃料、高能

8、炸药。103.2氢简介3.2.6氢的制备实验室制备：采用标准电极电势为负值的金属与酸反应生成氢。3.2.7氢的同位素同位素：质子数相同而