新能源与分布式发电技术08氢能与燃料电池

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1、震惊世界的爆炸读一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受到氢能的巨大威力……如果氢的能量只被用于改善人类的生存和生活条件，那么将是人类的一大福音。§8氢能与燃料电池关注的问题怎样才能从各种化合物中制取氢气？氢气应该如何保存？燃料电池是怎样工作的？燃料电池有哪些类型？各种燃料电池的原理和特点？燃料电池可以在哪些场合应用？教学目标了解氢和氢能的特点及其利用情况，掌握主要的氢的制取和储存方式，了解燃料电池的工作原理和主要类型，理解燃料电池的特点和应用价值。§8.1氢和氢能概述§8.1.1氢和氢能氢是宇宙中最丰富的元

2、素，在地球上的含量排第三。除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以化合物形态存在，主要存在水中。若把全球水中的氢都提炼出来，约有15亿亿吨，所产生的热量是地球上化石燃料的9000倍。氢在元素周期表中排在首位，是已知最轻的元素。标准状态下，氢气为无色无味的气体，密度是空气的1/14.5。发现故事：氢的发现和命名§8.1.2氢能及其利用方式氢能主要是指氢元素燃烧、发生化学反应或核聚变时释放的能量。想一想：氢能是一次能源还是二次能源？利用氢能的方式很多，包括：－直接作为燃料提供热能或在热力发动机中做功；－制造燃料电池

3、，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；－利用氢的热核反应释放出核能；等等。（1）氢燃料氢的含热量很高，燃烧时释放热量>140MJ/kg。氢气燃烧性能好，点燃快，燃点高，混入4%~74%的空气时仍能稳定燃烧。氢是最清洁的燃料，燃烧后只生成水和微量的氮化氢。氮化氢经适当处理后也不污染环境。将来，氢有可能取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。§8.1.2氢能及其利用方式（2）氢的核聚变氢的核能利用，理论基础是爱因斯坦的相对论。发生质量亏损时释放出的能量为E=mc2。1g的氢聚变为氦，质量损失0.711%，能释放多少能量

4、？氢的核聚变能量比铀原子核裂变释放的能量大若干倍。且核聚变过程中没有放射性，对环境无污染。一旦受控的氢核聚变获得成功，人类的能源与环境问题将得到根本的解决。§8.1.2氢能及其利用方式（3）氢燃料电池参见后面燃料电池的内容。§8.1.2氢能及其利用方式氢能可以输送、储存、大规模生产并且能再生利用，基本无污染，具有无可比拟的潜在开发价值。16世纪就有人在金属与酸的反应中得到过氢气。1766年有论文详细介绍了氢气的制备方法和性质。1938年，有人提出以氢为航空器燃料的设想。1950s，加拿大尝试把氢作为普通内燃机燃

5、料，美国开始研究用液氢作为军用飞机的飞行燃科。§8.1.3氢能的应用历史由于液氢的优良燃烧特性和能量密度，广泛的用于卫星和航天器的火箭发动机中。1960s以后，燃料电池发展起来，又给氢能的利用开辟了一个新的领域。以液氢为原料的燃料电池电动车，已进入商业化生产阶段。§8.1.3氢能的应用历史氢能和平利用的终极梦想就是受控的氢核聚变。其原料可直接取自海水中的氘。科学家预测，氢能和电能将成为未来能源体系的两大支柱。§8.2氢的制取氢能，通常指游离的分子氢H2所具有的能量。地球上的氢元素相当丰富，但游离态的很稀少。氢通

6、常以化合物形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。从这些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。（1）煤为原料制氢煤制氢的本质是用碳置换水中的氢，生成H2和CO2。发生的化学反应是C+2H2O→CO2+2H2方法主要有两种：一是煤的焦化，隔绝空气以900~1000℃高温制取焦碳，副产品为焦炉煤气（含55％～60％的氢气）。二是煤的气化，在高温下与水蒸汽或氧气(空气)等发生反应转化成气体产物。氢气含量与气化方法有关。§8.2.1化石燃料制氢（2）天然气制氢天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主要有两种。天然气蒸汽转化制

7、氢，其化学反应为CH4+2H2O→4H2+CO2这种传统制氢过程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷(催化)高温裂解制氢，制取H2的同时，还能得到碳，而不向大气排放CO2。该法技术简单，但是制造成本不低。§8.2.1化石燃料制氢（3）重油部分氧化制氢重油部分氧化过程中碳氢化合物与O2、水蒸气反应生成H2和CO2。要在一定的压力下进行，可能还需要采用催化剂。制得的氢主要来自水蒸气。§8.2.1化石燃料制氢目前，氢气大多是以石油、天然气和煤为主要原料制取的。化石燃料制造氢气的传统方法，会排放大量的温室气体，对环境不利。氢大

8、多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。§8.2.2水分解制氢（1）电解水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H2和O2。其反应式为：水电解操作简便，制得的氢气纯度高，但需消耗电能。常压下电解制氢的能量效率一般在70%左右。为提高效率，通常在3.0~5.0MPa的压力下进行。（2）高温水蒸气分解制氢水直接分解需要2227℃以上的温度，工程实现难度很大。为降低分解温度