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1、第八讲第八讲 氢能与燃料电池氢能与燃料电池可再生能源发电技术可再生能源发电技术李进平（水电学院水电站教研室）李进平（水电学院水电站教研室）公共邮箱：公共邮箱：，密码，密码:123456:123456氢能与燃料电池氢能与燃料电池要要 点点u氢与氢能u氢能的利用方式u氢能的利用历史u氢的制取和储存u燃料电池发电（一种新型发电方式）u燃料电池的应用整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池震惊世界的爆炸震惊世界的爆炸u了解氢弹爆炸故事，相信了解氢弹爆炸故事，相信你一定能感受到氢能的巨大你一定能感受到氢能的巨大威力威力如果氢的能量只被如果氢的能量只被用于改善人类的生存和生活用于改善人类的生存和生活条件，那
2、么将是人类的一大条件，那么将是人类的一大福音。福音。u1967我国第一颗氢弹爆炸我国第一颗氢弹爆炸实验成功实验成功整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池 氢和氢能氢和氢能氢是宇宙中氢是宇宙中最丰富的元素最丰富的元素，在地球上的含量排，在地球上的含量排第三第三。除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以除了空气中的少量氢气，绝大部分氢元素都以化合物化合物形态形态存在，主要存在存在，主要存在水水中。中。若把全球水中的氢都提炼出来，约有若把全球水中的氢都提炼出来，约有15亿亿吨，所产生的亿亿吨，所产生的热量是地球上热量是地球上化石燃料的化石燃料的9000倍倍。氢在元素周期表中排在首位，是氢在元素周期表
3、中排在首位，是已知已知最轻的元素最轻的元素。标准状态下，氢。标准状态下，氢气为气为无色无味的气体无色无味的气体，密度是空气，密度是空气的的1/14.5。发现故事：发现故事：氢的发现（卡文迪许）氢的发现（卡文迪许）和命名（拉瓦锡）和命名（拉瓦锡）整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池氢能及其利用方式氢能及其利用方式氢能氢能主要是指氢元素主要是指氢元素燃烧燃烧、发生、发生化学反应化学反应或或核聚变核聚变时释放时释放的能量。的能量。想一想：氢能是一次能源还是二次能源？想一想：氢能是一次能源还是二次能源？利用氢能的方式利用氢能的方式很多，包括：很多，包括：直接作为
4、燃料直接作为燃料提供热能提供热能或在热力或在热力发动机中做功发动机中做功；制造制造燃料电池燃料电池，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；，在催化剂作用下进行化学反应生产电能；利用氢的利用氢的热核反应热核反应释放出核能；等等。释放出核能；等等。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（1）氢燃料）氢燃料氢的氢的含热量很高含热量很高，燃烧时释放热量，燃烧时释放热量140MJ/kg。氢气氢气燃烧性能燃烧性能好，点燃快，燃点高，混入好，点燃快，燃点高，混入4%74%的空气的空气时仍能稳定燃烧。时仍能稳定燃烧。氢是氢是最清洁最清洁的燃料，燃烧后只生成水和微量的氮化氢。氮的燃料，燃烧后只生成水和微量的氮化氢
5、。氮化氢经适当处理后也不污染环境。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。将来，氢有可能取代石油，成为使用最广泛的燃料之一。氢能及其利用方式氢能及其利用方式整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（2）氢的核聚变）氢的核聚变氢的核能利用，理论基础是爱因斯坦的氢的核能利用，理论基础是爱因斯坦的相对论相对论。发生质量。发生质量亏损时释放出的能量为亏损时释放出的能量为E=mc2。1g1g的氢聚变为氦，质量损失的氢聚变为氦，质量损失0.711%0.711%，能释放多少能量？，能释放多少能量？氢的氢的核聚变能量核聚变能量比铀原子核裂变释放的能量大若干倍。比铀原子核裂
6、变释放的能量大若干倍。且且核聚变过程中核聚变过程中没有放射性没有放射性，对环境，对环境无污染无污染。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（得到根本的解决（努力方向努力方向）。）。氢能及其利用方式氢能及其利用方式整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（3）氢燃料电池）氢燃料电池氢燃料电池是使用氢这种化氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水电池。其基本原理是电解水的逆反应，的逆反应，把氢和氧分别供把氢和氧分别供给阴极和阳极给阴极和阳极，氢通过阴极，氢通过阴极向外扩
7、散和电解质发生反应向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负后，放出电子通过外部的负载到达阳极。载到达阳极。氢能及其利用方式氢能及其利用方式氢氢能能可可以以输输送送、储储存存、大大规规模模生生产产并并且且能能再再生生利利用用，基基本本无无污污染染，具具有有无无可可比比拟拟的的潜潜在在开发价值。开发价值。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池16世纪世纪就有人在就有人在金属与酸金属与酸的反应中的反应中得到过氢气得到过氢气。1766年年有论文详细介绍了氢气的有论文详细介绍了氢气的制备方法和性质制备方法和性质。1938年年，有人提出以氢为，有人提出以氢为航空器燃料航空器燃料的设想。的设想。19
8、50s，加拿大尝试把氢作为，加拿大尝试把氢作为普通内燃机燃料普通内燃机燃料，美国开始研究，美国开始研究用用液氢液氢作为军用飞机的作为军用飞机的飞行燃科飞行燃科。氢能的应用历史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器的火箭发动机火箭发动机中。中。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池1960s1960s以后，以后，燃料电池燃料电池发展起来，又给氢能的利用开辟了一个发展起来，又给氢能的利用开辟了一个新的领域。新的领域。以以液氢为原料液氢为原料的燃料电池的燃料电池电动车电动车，已进入商业化生产阶段。，已进入商业化
9、生产阶段。氢能的应用历史氢能的应用历史氢能和平利用的氢能和平利用的终极梦想终极梦想就是受控的就是受控的氢核聚变氢核聚变。其原料可直接。其原料可直接取自海水中的氘。取自海水中的氘。科学家预测，科学家预测，氢能和电能氢能和电能将成为未来能源体系的将成为未来能源体系的两大支柱两大支柱。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池氢的制取氢的制取氢能氢能，通常指游离的，通常指游离的分子氢分子氢H2所具有的能量。所具有的能量。地球上的氢元素相当丰富，但地球上的氢元素相当丰富，但游离态的很稀少游离态的很稀少。氢通常以化合物形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。从这氢通常以化合物形态存在于水、生物质和矿物质燃料中。
10、从这些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。些物质中获取氢，需要消耗大量的能量。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（1）煤为原料制氢）煤为原料制氢煤制氢的本质是煤制氢的本质是用碳置换用碳置换水中的水中的氢氢，生成，生成H2和和CO2。发生的化发生的化学反应是学反应是C+2H2OCO2+2H2方法主要有两种：方法主要有两种：一是煤的焦化一是煤的焦化，隔绝空气隔绝空气以以9001000高温高温制取制取焦碳焦碳，副产，副产品为品为焦炉煤气（含焦炉煤气（含5560的氢气）的氢气）。二是煤的气化二是煤的气化，在高温下与，在高温下与水蒸汽水蒸汽或或氧气氧气(空气空气)等发生反应转等发生反应转化成气体产物。
11、氢气含量与气化方法有关。化成气体产物。氢气含量与气化方法有关。化石燃料制化石燃料制氢氢整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（2）天然气制氢）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。天然气蒸汽转化天然气蒸汽转化制氢，其化学反应为制氢，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。这种传统制氢过程伴有大量的二氧化碳排放。甲烷甲烷(催化催化)高温裂解制氢高温裂解制氢，制取，制取H2的同时，还能得到碳，而不的同时，还能得到碳，而不向大气排放向大气排放CO2。该法技术简单，但是制造成本不低。
12、该法技术简单，但是制造成本不低。化石燃料制化石燃料制氢氢整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（3）重油部分氧化制氢）重油部分氧化制氢重油部分氧化重油部分氧化过程中碳氢化合物与过程中碳氢化合物与O2、水蒸气反应生成、水蒸气反应生成H2和和CO2。要在要在一定的压力一定的压力下进行，可能还需要采用催化剂。下进行，可能还需要采用催化剂。制得的制得的氢主要来自水蒸气氢主要来自水蒸气。化石燃料制化石燃料制氢氢目前，氢气大多是以目前，氢气大多是以石油、天然气和煤石油、天然气和煤为主要原料制取的。为主要原料制取的。化石燃料制造氢气的传统方法，会化石燃料制造氢气的传统方法，会排放大量的温室气体排放大量的温室
13、气体，对环，对环境不利。境不利。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。水分解制水分解制氢氢（1）电解水制氢）电解水制氢水的水的电解过程电解过程就是在就是在导电的水溶液导电的水溶液中通中通电电，将水分解成，将水分解成H2 和和O2。其反应式为：其反应式为：水电解操作简便，制得的水电解操作简便，制得的氢气纯度高氢气纯度高，但需，但需消耗电能消耗电能。常压下电解制氢的能量效率一般在常压下电解制氢的能量效率一般在70%左右。为提高效率，通左右。为提高效率，通常在常在3.05.0MPa的压力下进行。的压力下进
14、行。整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（2）高温水蒸气分解制氢）高温水蒸气分解制氢水直接分解需要水直接分解需要2227以上的温度，工程实现难度很大。以上的温度，工程实现难度很大。为降低分解温度，可采用多步骤热化学反应制造氢气。为降低分解温度，可采用多步骤热化学反应制造氢气。其化学反应通式为其化学反应通式为X为为中间媒体中间媒体，仅参与反应，并不消耗，但是因其反应呈，仅参与反应，并不消耗，但是因其反应呈气态，很易和氧气发生反应而重新生成氧化物。因此，需将它气态，很易和氧气发生反应而重新生成氧化物。因此，需将它们从产物中分离出来。整个过程仅仅消耗水和一定的热量。们从产物中分离出来。整个过程仅仅
15、消耗水和一定的热量。水分解制水分解制氢氢整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（3）等离子体制造氢气过程）等离子体制造氢气过程用用电场电弧电场电弧能将水加热到能将水加热到5000，分解成，分解成H、H2、O、O2、OH和水。和水。要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不再和氧结要使等离子体中氢组分含量稳定，就必须使氢不再和氧结合。该过程合。该过程能耗很高能耗很高，因而制氢，因而制氢成本很高成本很高。水分解制水分解制氢氢我国的氢气生产，除了用我国的氢气生产，除了用化石燃料化石燃料以外，其余的主要都通以外，其余的主要都通过过水电解法水电解法生产。不产生温室气体，但是生产成本较高。生产。不产生温室
16、气体，但是生产成本较高。趣闻：趣闻：神秘的海面大火（发光细菌、可燃气体、氢氧分离）神秘的海面大火（发光细菌、可燃气体、氢氧分离）整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（1）生物质气化制氢）生物质气化制氢将生物质原料将生物质原料压制成型压制成型，在，在气化炉气化炉（或裂解炉）中进行反（或裂解炉）中进行反应制得应制得含氢的混合燃料气含氢的混合燃料气。其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成H2 和和CO2（同天然气制氢）（同天然气制氢）。生物制生物制氢氢整理ppt氢能与燃料电池氢能与燃料电池（2）微生物制氢）微生物制氢在常温常压下利用在常温常压下利用微生物微生物进行进行酶催化酶催化反应制得氢气。反应制得氢气。用于制氢的微生物有两大类：用于制氢的微生物有两大类：光合细菌光合细菌或藻类，或藻类，在光照作用下使有机酸分解出在光照作用下使有机酸分解出H2和和CO2；厌氧菌厌氧菌，利用碳水化合物及蛋白质等，利用碳水化合物及蛋白质等，发酵产生发酵产生H2、CO2和有机酸。和有机酸。江河湖海中的某些藻类、细菌，有这种功能。江河湖海中的某些藻类、细菌，有这种功能。生
