新能源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。§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？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。§8.1氢和氢能概述§8.1.1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，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：氢的发现和命名§8.1.2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。§8.1.2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。§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。§8.1.2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。§8.1.3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。§8.1.3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。§8.2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。（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。§8.2.1化石燃料制氢（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。§8.2.1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。§8.2.1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。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。§8.2.2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。§8.2.2水分解制氢（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。§8.2.2水分解制氢我国的氢气生产，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。趣闻：神秘的海面大火（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（参见天然气制氢）。§8.2.3生物制氢（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。§8.2.3生物制氢（1）间接脏制氢太阳能缠间接制叛氢法主序要是太阳能杜发电＋电解水录制氢。未来规模化制氢最叼具有吸扭引力且薯最具现投实意义纪的途径江。§8.2释.4太阳能帐制氢（2）直接制江氢（两种方凝法）热分解颤法，用太阳能直接裂解水，得到蚁氢和氧己。须将刘水加热肚至很高绸温度，置反应才具有实际会应用的悠可能，摔困难较竭大。光分解法，光量子可使水笨等含氢轨化合物倾分子中权氢键断叛裂，效紧率较低绣。§8.3氢的储存氢能的避储存很锻关键，割是目前石氢能开做发的主博要技术缘瑞障碍。标准状读态下氢的密度是空气的1/14兴.5，氢气很难高密吓度储存。而且，氢像还是易燃、易爆的高能针燃料。安全性最重要，驰不过在设允计时都会碗充分考虑贡，并且在蹦使用中多县能够满足教。单位质量引储氢密度，即储氢质衰量与整个储氢单饮元的质量之比，是衡量氢咏气储运技园术是否先不进的主要斧指标。§8.3.里1对储氢系超统的要求储氢设继备使用的方售便性也是很重聚要的要求撞，例如充因放氢气的凯时间、使裤用的环境忌温度等。可以像天川然气一样叮用密封罐低压储俯存，不驶过因氢读气密度貌太低，温只适合大绢规模储律存，应用古不多。一般将里氢气压覆缩到15~绍40M恐Pa高压，装入醋钢瓶中谱储存和算运输。§8.3.揭2氢气的储绘存新型复宣合高压远氢气瓶（耐压35MP默a）储氢密饱度可达2%。高压储氢动态响应驱最好，能礼瞬间通断宫，实际使叼用最广泛倘。

不过有安全闻隐患。氢气在-25柴2.7峡℃低温下川可以变膛为液体厨。液体含的氢可洒以储存馅在绝热蕉的低温洞容器中孕。液氢的单位体育积含能尊量很高，比高抵压气态拘储存高旷好几倍粱。液氢的供理论体裹积密度意只有70kg篇/m3。考虑君容器和膜附件的璃体积，储氢密久度还远达不盟到这一数限值。液氢储扒运的最掉大优点是质量储氢草密度高，目前可抄做到5%以上，存虑在的问题是蒸发损斧失与成本问题。§8.3.伯3液氢的储存大的液蠢氢储罐鼻存在热分层限问题。因此，汪大的储罐淡都备有缓嘱慢的搅拌装置以阻止热略分层。某些金属具有捕捉氢蒙的能力，在一定美的温度和陈压力条件胜下，能大谷量“吸收勿”氢气，惠发生化学都反应生成金属氢化呢物。需要用氢鸣时，可将冒这些金属蚁氢化物加热，使其分解，将储存洪在其中的氢释放出来。金属氢化晃物的储氢容别量较大，相同温队度、压力水，体积储办氢密度是股氢气的100忠0倍。由于储存容滋量大、储运安全蚂方便等优点，谎金属氢化滩物储氢可承能最有发颈展前景。§8.3.主4固体金嚼属氢化捆物储存（1）有机义物储氢主要是苯和甲苯，与氢改反应生墨成环己垒烷或甲林基环己钥烷，在0.1M思Pa、室温炊下呈液室态，通剧过催化桨脱氢反秀应又可雪产氢。此方式鲜有储氢量大拦、能量密绵度高、储唐存设备简烦单等特点故，而且弹还能多碰次循环载利用。不过这种辉储氢方式加氢时粘放热量奴大、脱氢时阿能耗高，在很注大程度相上限制那了它的狠应用。§8.3期.5研究中的擦储氢新方岩法（2）地下压坑缩储氢是一种长期大量防储氢的主要刺方法。多孔、锹水饱和惠的岩石是理想歪的防止猜氢气扩棚散的介事质。但范地下储蜘存的氢宵气大约畏有50%左右会滞柜留在岩洞厦中，难于绿被释放出煌来。§8.3.理5研究中的却储氢新方进法（3）碳质惯储氢材藏料一直为奏人们所斥关注。主要是高比表面誓积活性炭等。特殊云加工后的庭高比表面突积活性炭拼，在2-4困MPa和超低径温下，预质量储雅氢密度续可达5%-7粒%。低温条件罪限制了它尿的广泛应跟用。燃料电拜池的研兰究已有170多年的免历史。发现故事锻：格罗夫破在实验款室里发挣现了燃应料电池途现象。195且0s，燃料温电池的约研究得焦到了迅逝速发展倾。燃料电池叙的实际应愧用开始于1960梢s的航天尘领域。199衰0s，在膜呈和催化顺剂方面喝所取得营的突破乓性进展克，质子器交换膜颜燃料电身池获得探了广泛若的研究图和开发筛。§8.4.乐1燃料电池搏的发展历吴史§8.4燃料电屋池概述燃料电肠池是一种春直接将方储存在亏燃料和洲氧化剂言中的化学能转化为电能的发电制装置。§8.4崭.2燃料电脸池的基王本原理燃料电碍池由阳极、阴极和中间的电解质及外接电路组成。工作时，寸一般向阳极供砍燃料(氢)，向阴极供氧悦化剂(氧)。不断从眼外部供题给燃料碌和氧化蛾剂，燃窗料电池优即可连除续发电躬。最主要的燃料是氢。氧化剂快是氧气或禁空气。为加速鞠电化学贯反应，告燃料电辱池的电细极上往贵往都有催化剂。催化剂干一般做呜成多孔付材料，友以增大网燃料、籍电解质辉和电极这之间的强接触截镇面。这狱种多孔电极导称为气体扩稳散电极。由一个阳初极、一个悉阴极和相刘关的电解平质、燃料呈、空气通忍路组成的矛最小电池痒单元称为单体电池；多个单体防电池重叠略连接形成辆的整体，踪蝶称为电堆。实用钓的燃料浓电池均撞由电堆题组成。燃料电池叮就像积木喊一样，可殊以根据功踪蝶率要求灵坊活组合，存容量小到详为手机供缸电、大到驼可与常规等发电厂相倍提并论。§8.4稻.2燃料电池绳的基本原覆理燃料电碑池系统(参见图8.9)，除燃料电施池本体(发电系统)外，还共有一些外围装范置，用于燃料重攻整供应、氧气供应、水管理、热管理、逆变、控制、安全等。§8.4.最3燃料电引池系统邻的构成这是大劣容量燃逢料电池可能具有岸的结构。不同类默型、容量红和适用场缸合，有些待部分可能卷被简化甚歌至取消。例如微读型燃料槽电池、血手机和月笔记本软电脑的失燃料电偿池。与干电抖池与蓄赛电池不包同，燃料电权池不是犬能量储苗存装置，而是能量转化称装置。燃料电布池具有朽很多独曲特的优俱点：－能量转换颜效率高。－污染物应排放少井。－能量转敏换主装浑置无运见动部件岩，设备伏可靠，俯噪音极军小。－资源广炎泛，建离设灵活坊。§8.4性.4燃料电泉池发电露的特点§8.5燃料电池虏的类型（1）碱性燃暗料电池（AFC）以氢氧化钾等碱性溶撇液为电解督质，以高锤纯度氢气为燃料帽，以纯氧气作为氧陕化剂，废工作温箭度为60~胸80℃。在所有的浩应用领域腰中，AFC燃料电斧池都有泊竞争力是。其低温快搭速起动特性，菊在很多魔场合更殊具优势常。但是由够于需要挤纯H2和O2作为燃抗料和氧图化剂，抚气化净分水和排勿水排热升系统庞绸大，限煎制了其南应用。§8.5燃料电唐池的类前型（2）磷酸坛型燃料径电池（PAFC）以磷酸水溶漂液为电解以质，以天然气或盘甲醇等气体板的重整纤气为燃欺料，以空气为氧化剂也，一般要脸用铂金作催化剂烘。工作温度200℃，发电恐效率30%多，用亲白金作插催化剂肉，对燃料要求怜较高。对燃料气妖和空气中躲的CO2有耐受劝力，能宾适应多五种工作永环境。世界之青最：最大的着燃料电估池系统§8.5燃料电池凳的类型（3）熔融碳糊酸盐型燃慨料电池（MCF子C）以碳酸盐为电解质搞；以混有CO2的O2为氧化今剂；可吧用重整袭气(含H2和CO2)为燃料娘。电极孟采用镍。工作温乘度为600～700℃，不需要采价用贵金属提作为催化屑剂。工作往过程中秤放出的镰高温余接热可回残收，发节电效率45%~蒜60%。基于上晶述优点蒸，MCFC具有较好的职应用前门景。不过，夸高温条件杠下电解质敞的腐蚀冶性较强，抱对电池壤材料有泽严格要乐求；而守且废热抄回收装食置又大又重，MCFC只适用玩于大功摩率发电厂喊。§8.5燃料电池送的类型（4）固体贵氧化物伸型燃料耀电池（SOF远C）常采用ZrO2+Y2O3固体电前解质，痰以重整萍气为燃屋料，以空气为氧化剂匪。多孔电统极。工作温度还最高，约1000缝℃，运行财压力0.3形~1.画0MP进a。高温下工药作，不需要采哗用贵金属很作为催化紧剂；但采用所复合废热疏回收装置至，体积大理，质量重世，只适用派于大功率绳发电厂。国际上腥正在研赶发400~幼800℃中低温SOF临C电解质。§8.5燃料电池先的类型（5）质子交忍换膜型燃术料电池（PEM校FC）燃料一蛮般为高纯度爷的氢气。采用头以离子技导电的固体高分凡子电解质烛膜。最佳温栽度为80℃。工作温喜度低，需要采植用贵金恳属作为片催化剂。发电晕效率约50%~格70%。PEMF井C最大优越粘性体现在工作温针度低。起动快榜、功率密母度高，而北且只产生少量废纪热和液植态水，不产隙生污染串大气的抢氮氧化