可再生能源发电技术8-氢能与燃料电池

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1、第八讲氢能与燃料电池可再生能源发电技术李进平（水电学院水电站教研室）公共邮箱：kzsny@sina.cn，密码:123456要点氢与氢能氢能的利用方式氢能的利用历史氢的制取和储存燃料电池发电（一种新型发电方式）燃料电池的应用震惊世界的爆炸了解氢弹爆炸故事，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。1967我国第一颗氢弹爆炸实验成功氢和氢能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

2、，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。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（卡文迪许）和命名（拉瓦锡）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。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

3、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。氢能及其利用方式（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

4、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（努力方向）。氢能及其利用方式（3）氢燃料电池氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。氢能及其利用方式氢能可以输送、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。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

5、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器的火箭发动机中。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。氢能的应用历史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。氢的制取氢能，通常

6、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。（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。化石燃料制氢（2）

7、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。化石燃料制氢（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。化石燃料制氢目前，氢气大多是以石油、天然气和煤为主要原料制取的。

8、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。氢大多存在水中，将水分解制取氢气是最直接的方式。水分解制氢（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。（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