第三章 氢能和燃料电池

分数氢的获得：通过被称为能穴的元素或离子间的相干反应 ，实现普通氢 分数氢的获得：
向分数氢的转化。 向分数氢的转化。
分数氢理论的展望： 分数氢理论的展望：
１）目前还被科学界认为是怪论。 目前还被科学界认为是怪论。 许多企业和集团投入了赞助研究， ２）许多企业和集团投入了赞助研究，PacifiＣorp，ＮＡＳＡ等。 Ｃ ，ＮＡＳＡ等
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%。 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 。 空间中的氢：氢在地球大气内层占50%，大气外层占 空间中的氢：氢在地球大气内层占 ，大气外层占70%。 。 人体中的氢： 磷分别占61%，23%，10%，2.6%， 人体中的氢： 氧、碳、氢、氮、钙、 磷分别占 ， ， ， ，
组成： 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 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 ， 下二者比例随温度变化。 下二者比例随温度变化。
9
3.2 氢简介
3.2.5 氢的形态 节流氢液化循环、 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。 制冷氢液化循环。其中，带膨胀机的循环效率最高。
我国一次能源消费结构
4
3.1 概论（Introduction） 概论（ 3.1.4 氢能的利用方式 三种方式 直接燃烧。----------火箭推进剂， 直接燃烧。----------火箭推进剂，内燃机等 火箭推进剂 燃料电池发电。------水热电联供系统 燃料电池发电。------水热电联供系统 核聚变。------------氢弹 300美元 kg氘 氢弹， 美元/ 万美元/ kg浓 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。 缩铀,能量巨大，聚变能可用几亿年。 3.1.5 氢能是能源历史的必然 有趣的H/C现象：柴薪0 煤炭0 石油1 天然气3 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∞ H/C现象
1.4%，1.1%。 ， 。
7
பைடு நூலகம்
3.2 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1S 极易形成氢键 极易形成氢键。 氢的原子结构和分子结构：宇氢的电子组态 1,极易形成氢键。
两个氢原子由共价键连接形成氢分子。 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， 氢的物理性质： 原子量1.008，分子量2.016，无色无味 ，极难溶于水和也 难液化。 H-H 键长0.074 m， 键能436kJ/mol， 扩散系数（ 295K） 难液化 。 键长 0 ， 键能 ， 扩散系数（ ） H2-O2 0.8 cm2/s， /s， 氢的化学性质： 氢的化学性质：
凝胶液氢：为提高液氢的密度，加入胶凝剂，成为凝胶液氢。 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。 的蒸发损失。
泥氢：液氢和固体氢的混合物。 泥氢：液氢和固体氢的混合物。 液氢进一步冷却到-259. 变成固体，当在很高的压力下， 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
3
概论（Introduction） 3.1 概论（Introduction）
3.1.1 化石能源的短缺
石油、天然气、煤炭使用时间有限； 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。 汽车、火车、轮船、飞机的大量普及。
3.1.2 环境的要求
6.67% 0.67%
19.07%
3.53%
6
3.2 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、 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， 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。 与电子结合形成氢原子。
13
3.３ 水制氢
3.3.1 水电解制氢 极化现象：
实际生产中电解池的电极过程是不可逆的，电极电位值将偏离平衡电位值， 实际生产中电解池的电极过程是不可逆的，电极电位值将偏离平衡电位值， 这种现象称为电极的极化现象。 这种现象称为电极的极化现象。
浓差极化： 浓差极化：
由于电极过程某些步骤地相对迟缓， 由于电极过程某些步骤地相对迟缓，使电极表面附近的反应物浓度不同于电 解池中溶液的浓度。 解池中溶液的浓度。
活化极化： 活化极化：
由于参加电极反应的某些粒子缺少足够的能量（活化能） 由于参加电极反应的某些粒子缺少足够的能量（活化能）来完成电子的转移 或状态的变化，结果在阴极上放电的离子数不足而电子过剩， 或状态的变化，结果在阴极上放电的离子数不足而电子过剩，阴极电位 变小；在阳极上放电的离子也相应减少而电子不足，阳极电位变大。 变小；在阳极上放电的离子也相应减少而电子不足，阳极电位变大。 因 活化极化而产生的超点微微叫活化超电位。 活化极化而产生的超点微微叫活化超电位。 ７５％ ８５％ 每立方氢气电耗4.5-5.5kW.h 水电解制氢效率，７５％－８５％，每立方氢气电耗
第三章 氢能和燃料电池 Hydrogen Energy and Fuel Cell
北京科技大学热能工程系 Thermal Energy Engineering Department, The University of Science and Technology Beijing
wlmi@ 米万良 2006年9月
固体-液体-气体的过程。 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。 从长远的观点来看：太阳能和核聚变能使人类最终的能源。
5
3.1 概论（Introduction） 概论（ 3.1.5 氢能是能源历史的必然 氢成为永恒的能源的原因： 氢成为永恒的能源的原因： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 氢的资源丰富-------------水是地球的主要资源，地球70%被水覆盖 水是地球的主要资源，地球70 70% 氢的资源丰富 氢来源的丰富性------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— 氢是最环保的能源—---排放物只有水 氢气具有可储存性— 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— 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------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， 氢是安全的能源-------密度小，扩散后迅速升空
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， 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。 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。 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，他们的自旋方向平行， 当两个原子都顺时针旋转时，他们的自旋方向平行，即为正氢 当两个原子核自旋方向反向平行时，则为仲氢。 当两个原子核自旋方向反向平行时，则为仲氢。
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% 2000年石油进口依存度达31% 年石油进口依存度达31 其中70 的进口来自中东， 70% 其中 70% 的进口来自中东 ， 经 马六甲海 台湾海峡。 峡，台湾海峡。 美国与伊拉克， 美国与伊拉克，沙特
70.06%
石油 天然气 煤炭 核电与新能源 水电
氢同位素的用途
1）热核反应的原料，D+T---He+中子 ）热核反应的原料， 中子 2）利用氢同位素测定地质的历史，利用氧、氢同位素测定古温度，已成为陈 ）利用氢同位素测定地质的历史，利用氧、氢同位素测定古温度， 迹环境地球化学研究的前沿课题。 迹环境地球化学研究的前沿课题。 3）同位素示踪 ） 氘和氚作示踪剂，研究化学过程和生物化学过程的微观过程。 氘和氚作示踪剂，研究化学过程和生物化学过程的微观过程。
12
3.３ 水制氢
3.3.1 水电解制氢 水电解制氢目前占总产量的４ 水电解制氢目前占总产量的４％，产品纯度高，操作简便。 产品纯度高，操作简便。 水电解制氢的原理： 4e-1+4H2O----2H2+4OH-1 4OH-1-----O2+2H2O+4e-1 电解定律： 电解定律：
e G = Ke It = It F
与金属的反应， Na— 与金属的反应，H2+2Na—2NaH 加成反应， +CO-----CH 加成反应， H2+CO---CH3OH 原子氢与某些物质的反应， H+As— 原子氢与某些物质的反应，3H+As—AsH3
8
3.2 氢简介
3.2.3 氢键
氢键的形成： 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， 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。 种键比一般的键弱 ，但作用很大。
1
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 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， 年 氢能-21世纪的绿色能源 毛宗强 化学工业出版社，北京， 世纪的绿色能源》 毛宗强， 《氢能 世纪的绿色能源》-毛宗强，化学工业出版社，北京，2005年 年
11
3.2 氢简介 3.2.7 分数氢hydrinos 分数氢
普通氢能利用和氢核聚变之间的夹层。 分数氢的提出：普通氢能利用和氢核聚变之间的夹层。 分数氢理论描述了相干作用下氢原子能级可由基态向分数量子能级转化的可 能性，其释放的能量可超出氢气燃烧放出能量的100倍。 能性，其释放的能量可超出氢气燃烧放出能量的 倍 此理论认为电子可由基态跃迁至更低的能级----分数量子能级，与公认的波尔 此理论认为电子可由基态跃迁至更低的能级 分数量子能级， 分数量子能级 原子模型和量子理论相矛盾。 原子模型和量子理论相矛盾。
氢的发现史：1766年 亨利.卡文迪什在自己家中建立实验室， 氢的发现史：1766年，亨利.卡文迪什在自己家中建立实验室，测出水银上
方的易燃气体，并正确描述了氢的性质。 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。 1931年，哈罗德.尤里发现氘。 后来英美化学家又发现了氚。 后来英美化学家又发现了氚。
电解电压： 电解电压：
e化学当量，Ｆ法拉第常熟，Ｉ电流，ｔ通电时间 化学当量， 法拉第常熟， 电流， 化学当量 G化学反应物生成的量。 化学反应物生成的量。 化学反应物生成的量
G = nEF
n-反应物质的当量数，或电极反应中电子得失的数目 反应物质的当量数， 反应物质的当量数 E电动势 电动势 F法拉第常熟 法拉第常熟
导体、绝缘体以及固体氢可成为金属态。 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、高能炸药。 固体氢的用途：冷却器、高能燃料、高能炸药。
10
3.2 氢简介
3.2.6 氢的制备 采用标准电极电势为负值的金属与酸反应生成氢。 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 质子数相同而中子数不同的原子核所构成的不同原子总称。 同位素：质子数相同而中子数不同的原子核所构成的不同原子总称。 氢三种同位素： 氢三种同位素：氢1H、氘2H(D)和氚3H(T) 。 、 和氚
2
内容提要
1. 概论 2. 氢简介 3. 水制氢 4. 化石能源制氢 5. 生物质制氢 6. 其他制氢方法 7. 氢的纯化 8. 太阳能-氢能系统 太阳能9. 氢的储存 10. 碳材料储氢 11. 氢的输运与加注 12. 核聚变 13. 燃料电池 14. 氢内燃机 15. 燃料电池和交通工具 16. 家庭及微型燃料电池 17. 氢的安全 18. 氢能与材料 19. 迎接氢能经济时代