可再生能源概论 教学课件 作者 左然 施明恒第十章 氢能与燃料电池_new.ppt

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1、第十章氢能与燃料电池席反应。使用PowerPoint可以跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择“会议记录”选择“即席反应”选项卡必要时输入即席反应单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。氢能:一种新的清洁的二次能源。电能、汽油、柴油、酒精:传统的二次能源。氢能可以输送、储存、大规模生产和可再生利用，同时对环境友好，基本上没有环境污染。氢能源正处于技术开发阶段。到本世纪中叶，氢有可能将取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。10.1氢元素和氢能氢的物理化

2、学性质氢是已知元素中最轻的元素，原子量1.008。在常温下是气体，沸点-252.87℃，凝固点-259.14℃。氢气在常温下为无色无臭的气体，密度是空气0.0689倍。氢气的导热性很高。固态氢具有金属性和超导性。氢能是由氢元素燃烧或化学反应时所释放出的能量，主要以热能或化学能的形式出现。制氢发电燃料电池电解水太阳能风能生物质能地热能海洋能一次能源氢气电力二次能源用户图10-1未来能源结构体系的展望氢气燃烧的特点发热值高；点燃快，燃点高，燃烧性能好,燃烧效率高；是一种清洁燃料。10.2氢的制备通常所指的氢能，指

3、游离的分子氢H2所具有的能量。虽然地球上氢元素含量十分丰富，但是游离的分子氢却十分的稀少。大气中游离的H2仅有二百万分之一。氢通常以化合物的形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。要从这些物质中获得氢，需要消耗大量的能量。因此，为了实现氢能的大规模应用，最关键的是要找到一种廉价低能耗的制氢方法。制备氢的四种方法:甲烷或碳与水蒸气反应制氢采用煤、石油或天然气等化石燃料，在高温下与水蒸气发生催化反应，其反应方程为：甲烷催化水蒸气重整反应煤气化制氢反应甲醇催化裂解反应电解水制氢利用外加电能对水进行电解来产生氢气。电解的

4、反应为：图10-2电解水制氢原理阳极阴极电池反应热化学制氢从水中制氢，也可以通过高温化学反应的方法进行。按照反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系、卤化物体系、含硫体系和杂化物体系四种反应体系。各种体系的反应过程可以写成一种通用形式：总反应为固体生物质制氢固体生物质制氢的基本工艺为：将生物质气化或热裂解，生成合成气。合成气中的碳氢化合物再与水蒸气发生催化重整反应，生成H2和CO2。整个反应式为：另外，还有以下两种制氢方法：核能热利用制氢利用核反应堆生成的热能或电能作为能源来进行制氢。太阳能制氢太阳能热

5、分解水制氢太阳能电解水制氢太阳能直接光解水制氢人工光合成作用制氢生物制氢太阳能半导体光催化制氢10.3氢的储存由于氢的质量小，常温下是气态，其单位体积的含能量要比常规能源小得多，且易燃（4％－75％）、易爆（15％－59％）。当作为燃料时，又具有分散性和间断使用的特点，因此氢的存储难度很大。目前可以采用的储氢方法有下列几种：高压储存将氢气压缩成高压（15－40MPa），装入钢瓶中储存和运输。常用的压缩机有离心式、辐射式和往复活塞式，其中离心式处理量最大。储氢容器可分为四类，即：1、全金属容器；2、可承重的金属

6、材料作衬里，外包饱和树脂纤维的容器；3、不可承重的金属材料作衬里，外包饱和树脂纤维；4、全非金属容器。压力为35MPa的由碳化纤维制成的高压气瓶已足够汽车使用。液态储存将氢气冷却到20K左右，氢气将被液化，体积大大缩小，然后储存在绝热的低温容器中。液态氢的体积含能量很高，常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的体积能量密度比高压气态贮存高好几倍，已在宇航中作为燃料获得应用。氢气液化装置主要包括加压器、换热器、膨胀机和节流阀。最常用的氢液化循环是林德（Linde）循环或节流循环。固态金属氢化物储氢由于氢

7、和氢化金属之间可以进行可逆反应，当氢和氢化金属形成氢化物时，氢就以固态的形式存储于氢化物中。当需要用氢时，通过加热，氢化物就可以放出氢气。目前已经发展的氢化金属有Li、Mg和Ti的合金，如Mg2NiH4和FeTiH1.95等。金属氢化物储氢安全、储存容量大、使用方便、运输简单，是氢气储存中最方便且最有发展前景的一种储氢方法。其他储氢方法配位氢化物储氢有机物储氢玻璃微球储氢地下储氢物理吸附储氢10.4燃料电池的基本原理燃料电池的特点燃料电池的能量转换效率高，不受卡诺效率限制。清洁、环保。燃料电池不需要锅炉、汽轮

8、机等大型设备、没有SOx、NOx气体和固体粉尘的排放。可靠性和操作性良好，噪声低。所用燃料广泛，占地面积小，建厂具有很大灵活性。燃料电池的组成和工作原理燃料电池的基本组成：阳极、阴极、电解质和外电路。燃料电池中的电解质有不同的种类。图10－3燃料电池的基本单元燃料电池的工作原理（以氢氧磷酸型电池为例）（1）氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列阳极反应：（2）氢离子穿过电解质到达阴极。电子则通过外电路及