(完整版)大工14春《新能源发电》13

新能源发电辅导资料十三
主题：第八章氢能与燃料电池（第1-3节）
学习时间：2014年6月23日—6月29日
内容：
我们这周主要学习氢能与燃料电池（第1-3节）
一、学习要求
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。

二、主要内容
第一节氢能与燃料电池
（一）氢和氢能
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。

氢是宇宙中最丰富的元素，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。

（二）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。

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，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。

（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。

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。

（3）氢燃料电池
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。

（三）氢能的应用历史
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。

20世纪50年代，加拿大尝试把氢作为普通内燃机燃料，美国开始研究用液氢作为军用飞机的飞行燃科。

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。

20世纪60年代以后，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。

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。

第二节氢的制取
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。

（一）化石燃料制氢
（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。

（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。

（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。

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。

（二）水分解制氢
氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。

（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
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，可采用多步骤热化学反应制造氢气。

其化学反应通式为
X为中间媒体，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，需将它们从产物中分离出来。

整个过程仅仅消耗水和一定的热量。

（3）等离子体制造氢气过程
用电场电弧能将水加热到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH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合。

该过程能耗很高，因而制氢成本很高。

我国的氢气生产，除了用化石燃料以外，其余的主要都通过水电解法生产。

不产生温室气体，但是生产成本较高。

（三）生物制氢
（1）生物质气化制氢
将生物质原料压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行反应制得含氢的混合燃料气。

其中的碳氢化合物再与水蒸气发生反应，生成H2和CO2。

（2）微生物制氢
在常温常压下利用微生物进行酶催化反应制得氢气。

用于制氢的微生物有两大类：
－光合细菌或藻类，在光照作用下使有机酸分解出H2和CO2；
－厌氧菌，利用碳水化合物及蛋白质等，发酵产生H2、CO2和有机酸。

江河湖海中的某些藻类、细菌，有这种功能。

（四）太阳能制氢
未来规模化制氢最具有吸引力且最具现实意义的途径。

（1）间接制氢
太阳能间接制氢法主要是太阳能发电＋电解水制氢。

（2）直接制氢（两种方法）
热分解法，用太阳能直接裂解水，得到氢和氧。

须将水加热至很高温度，反应才有实际应用的可能，困难较大。

光分解法，光量子可使水等含氢化合物分子中氢键断裂，效率较低。

第三节氢的储存
氢能的储存是关键的环节，是目前氢能开发的主要技术障碍。

标准状态下氢的密度是空气的1/14.5，氢气很难高密度储存。

而且，氢还是易燃、易爆的高能燃料。

（一）对储氢系统的要求
安全性最重要，不过在设计时都会充分考虑，并且在使用中多能够满足。

单位质量储氢密度，即储氢质量与整个储氢单元的质量之比，是衡量氢气储
运技术是否先进的主要指标。

储氢设备使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氢气的时间、使用的环境温度等。

（二）氢气的储存
可以像天然气一样用密封罐低压储存，不过因氢气密度太低，只适合大规模储存，应用不多。

一般将氢气压缩到15-40MPa高压，装入钢瓶中储存和运输。

新型复合高压氢气瓶（耐压35MPa）储氢密度可达2%。

高压储氢动态响应最好，能瞬间通断，实际使用最广泛。

不过有安全隐患。

（三）液氢的储存
氢气在-252.7℃低温下可以变为液体。

液体的氢可以储存在绝热的低温容器中。

液氢的单位体积含能量很高，比高压气态储存高好几倍。

液氢的理论体积密度只有70kg/m3。

考虑容器和附件的体积，储氢密度还远达不到这一数值。

液氢储运的最大优点是质量储氢密度高，目前可做到5%以上，存在的问题是蒸发损失与成本问题。

大的液氢储罐存在热分层问题。

因此，大的储罐都备有缓慢的搅拌装置以阻止热分层。

（四）固体金属氢化物储存
某些金属具有捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，能大量“吸收”氢气，发生化学反应生成金属氢化物。

需要用氢时，可将这些金属氢化物加热，使其分解，将储存在其中的氢释放出来。

金属氢化物的储氢容量较大，相同温度、压力，体积储氢密度是氢气的1000倍。

由于储存容量大、储运安全方便等优点，金属氢化物储氢可能最有发展前景。

（五）研究中的储氢新方法
（1）有机物储氢
主要是苯和甲苯，与氢反应生成环己烷或甲基环己烷，在0.1MPa、室温下呈液态，通过催化脱氢反应又可产氢。

此方式有储氢量大、能量密度高、储存设备简单等特点，而且还能多次循环利用。

不过这种储氢方式加氢时放热量大、脱氢时能耗高，在很大程度上限制了它的应用。

（2）地下压缩储氢是一种长期大量储氢的主要方法。

多孔、水饱和的岩石是理想的防止氢气扩散的介质。

但地下储存的氢气大约有50%左右会滞留在岩洞中，难于被释放出来。

（3）碳质储氢材料一直为人们所关注。

主要是高比表面积活性炭等。

特殊加工后的高比表面积活性炭，在2-4MPa 和超低温下，质量储氢密度可达5%-7%。

低温条件限制了它的广泛应用。

三、习题
（一）填空题
氢能主要是指氢元素燃烧、_________或_________时所释放出的能量。

答案：化学反应、核聚变。

（二）选择题
1.目前，制取氢的方法较多，包括（）。

A.生物制氢法
B. 水分解制氢法
C.太阳能制氢法
D. 化石燃料制氢法
答案：A、B、C、D
2.燃料电池最主要的燃料是（）。

A.氧气
B. 空气
C.氢
D. 二氧化碳
答案：C
（三）简答题
简述氢能的利用方式。

答案：
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，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。