新能源與分布式發(fā)電技術(shù)08氫能與燃料電池

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1、震驚世界的爆炸讀一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受到氫能的巨大威力……如果氫的能量只被用于改善人類的生存和生活條件，那么將是人類的一大福音。§8氫能與燃料電池關(guān)注的問(wèn)題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應(yīng)該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？燃料電池有哪些類型？各種燃料電池的原理和特點(diǎn)？燃料電池可以在哪些場(chǎng)合應(yīng)用？教學(xué)目標(biāo)了解氫和氫能的特點(diǎn)及其利用情況，掌握主要的氫的制取和儲(chǔ)存方式，了解燃料電池的工作原理和主要類型，理解燃料電池的特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值。§8.1氫和氫能概述§8.1.1氫和氫能氫是宇宙中最豐富的元素，在地球上的含量排第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)

2、存在，主要存在水中。若把全球水中的氫都提煉出來(lái)，約有15億億噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍。氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣為無(wú)色無(wú)味的氣體，密度是空氣的1/14.5。發(fā)現(xiàn)故事：氫的發(fā)現(xiàn)和命名§8.1.2氫能及其利用方式氫能主要是指氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時(shí)釋放的能量。想一想：氫能是一次能源還是二次能源？利用氫能的方式很多，包括：－直接作為燃料提供熱能或在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中做功；－制造燃料電池，在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)電能；－利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核能；等等。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時(shí)釋放熱量>140MJ/kg。氫氣燃燒性能好，

3、點(diǎn)燃快，燃點(diǎn)高，混入4%~74%的空氣時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒。氫是最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫。氮化氫經(jīng)適當(dāng)處理后也不污染環(huán)境。將來(lái)，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一。§8.1.2氫能及其利用方式（2）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。發(fā)生質(zhì)量虧損時(shí)釋放出的能量為E=mc2。1g的氫聚變?yōu)楹?，質(zhì)量損失0.711%，能釋放多少能量？氫的核聚變能量比鈾原子核裂變釋放的能量大若干倍。且核聚變過(guò)程中沒(méi)有放射性，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問(wèn)題將得到根本的解決?！?.1.2氫能及其利用方式（3）氫燃料電池參見(jiàn)后面燃料電池的內(nèi)容。§8

4、.1.2氫能及其利用方式氫能可以輸送、儲(chǔ)存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，基本無(wú)污染，具有無(wú)可比擬的潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值。16世紀(jì)就有人在金屬與酸的反應(yīng)中得到過(guò)氫氣。1766年有論文詳細(xì)介紹了氫氣的制備方法和性質(zhì)。1938年，有人提出以氫為航空器燃料的設(shè)想。1950s，加拿大嘗試把氫作為普通內(nèi)燃機(jī)燃料，美國(guó)開(kāi)始研究用液氫作為軍用飛機(jī)的飛行燃科?！?.1.3氫能的應(yīng)用歷史由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛的用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中。1960s以后，燃料電池發(fā)展起來(lái)，又給氫能的利用開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。以液氫為原料的燃料電池電動(dòng)車，已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段?！?.1.3氫能的應(yīng)用歷史氫能和平利用的

5、終極夢(mèng)想就是受控的氫核聚變。其原料可直接取自海水中的氘?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，氫能和電能將成為未來(lái)能源體系的兩大支柱?！?.2氫的制取氫能，通常指游離的分子氫H2所具有的能量。地球上的氫元素相當(dāng)豐富，但游離態(tài)的很稀少。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。從這些物質(zhì)中獲取氫，需要消耗大量的能量。（1）煤為原料制氫煤制氫的本質(zhì)是用碳置換水中的氫，生成H2和CO2。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是C+2H2O→CO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化，隔絕空氣以900~1000℃高溫制取焦碳，副產(chǎn)品為焦?fàn)t煤氣（含55％～60％的氫氣）。二是煤的氣化，在高溫下與水蒸汽或氧氣(空氣)等發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)

6、物。氫氣含量與氣化方法有關(guān)?！?.2.1化石燃料制氫（2）天然氣制氫天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，其化學(xué)反應(yīng)為CH4+2H2O→4H2+CO2這種傳統(tǒng)制氫過(guò)程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷(催化)高溫裂解制氫，制取H2的同時(shí)，還能得到碳，而不向大氣排放CO2。該法技術(shù)簡(jiǎn)單，但是制造成本不低?！?.2.1化石燃料制氫（3）重油部分氧化制氫重油部分氧化過(guò)程中碳?xì)浠衔锱cO2、水蒸氣反應(yīng)生成H2和CO2。要在一定的壓力下進(jìn)行，可能還需要采用催化劑。制得的氫主要來(lái)自水蒸氣?！?.2.1化石燃料制氫目前，氫氣大多是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的?；?/p>

7、料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境不利。氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式?！?.2.2水分解制氫（1）電解水制氫水的電解過(guò)程就是在導(dǎo)電的水溶液中通電，將水分解成H2和O2。其反應(yīng)式為：水電解操作簡(jiǎn)便，制得的氫氣純度高，但需消耗電能。常壓下電解制氫的能量效率一般在70%左右。為提高效率，通常在3.0~5.0MPa的壓力下進(jìn)行。（2）高溫水蒸氣分解制氫水直接分解需要2227℃以上的溫度，工程實(shí)現(xiàn)難度很大。為降低分解溫度