新能源技术氢能与燃料电池

新能源与分布式发电
§8.2.2 水分解制氢
氢能与燃料电池
（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。
氢能与燃料电池
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。
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§8.1.3 氢能的应用历史
氢能与燃料电池
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。 1950s，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。
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。
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§8.1.2 氢能及其利用方式
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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。
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。
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§8.1.2 氢能及其利用方式
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（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。
1g的氢聚变为氦，质量损失0.711%，能释放多少能量？
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。
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§8.1.2 氢能及其利用方式
（3）氢燃料电池 参见后面燃料电池的内容。
想一想：氢能是一次能源还是二次能源？
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。
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§8.1.2 氢能及其利用方式
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（1）氢燃料
氢的含热量很高，燃烧时释放热量>140MJ/kg。
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§8.2.2 水分解制氢
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。
（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， 通常在3.0~5.0MPa的压力下进行。
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。
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§8.1.3 氢能的应用历史
氢能与燃料电池
1960s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。
新能源与分布式发电技术
氢能与燃料电池
震惊世界的爆炸
读一下教材第8章的引例故事，相信你一定能感受到氢能的巨 大威力……如果氢的能量只被用于改善人类的生存和生活条 件，那么将是人类的一大福音。
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§8 氢能与燃料电池
关注的问题 怎样才能从各种化合物中制取氢气？ 氢气应该如何保存？ 燃料电池是怎样工作的？ 燃料电池有哪些类型？ 各种燃料电池的原理和特点？ 燃料电池可以在哪些场合应用？
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§8.2.1 化石燃料制氢
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（2）天然气制氢 天然气的主要成分甲烷含有氢元素，制氢方式主要有两百度文库。
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。
§8.2.1 化石燃料制氢
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（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。
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§8.2.1 化石燃料制氢
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（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。
科学家预测，氢能和电能将成为未来能源体系的两大支柱。
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§8.2 氢的制取
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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。
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教学目标 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。
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§8.1 氢和氢能概述
§8.1.1 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。 发现故事：氢的发现和命名
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§8.2.2 水分解制氢
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（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。