(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。