化学储能技术及其应用

第八章化学储能技术及其应用8.1化学能化学能是储存在物质内部，通过化学反应释放出的能量。摄取食物化学能实际来源于化学键对原子的束缚和释放。化学键是指相邻的两个原子或多个原子间强烈的相互作用力，使它们能稳定地聚集在一起。化学键形成时必有能量释出，此能量称为键能；反之，破坏化学键所需能量称为键的离解能。化学能可以通过键的断裂和生成来计算。例如化学反应的反应焓可以近似的等于反应中断裂的键焓之和减去生成的键焓总和。8.1化学能(2)共价键（库仑引力）共价键形成条件：o≤|XA-XB|<2.0。

共价键结合方式：非金属原子间常以共用电子对方式使各原子达饱和状态，而此共用电子对可同时吸引两原子核而结合。共价键特性：键能约150~400kJ/mol；有方向性；有实验式无分子式。如：石墨（C）、Si、金刚砂(SiC)及SiO2。

共价键的种类：①非极性共价键：相同原子所结合，电子均匀分布于两原子间，其电子对均等共用，如：H2、Cl2；②极性共价键：相异原子结合，电子对不均等共用，而略微偏向于电负性较大的原子，使化学键的一端稍带正电(δ+)，另一端稍带负电(δ-)，如Hδ+—δ-CI。8.1化学能(3)金属键

金属键形成条件：低游离能及空价轨域。

金属键的结合方式：靠金属阳离子与“电子云”间之静电引力结合。

金属键的特性：键能约为共价键或离子键的1/3，无方向性；有实验式无分子式。三种化学键的特性对比见表8-1。8.1化学能放热8.2化学能与热能的转换8.2.1化学反应热：为了保持化学反应在等温条件下进行所需要

加入或除去的热量。摩尔生成热摩尔分解热摩尔燃烧热摩尔解离热摩尔中和热摩尔溶解热最频繁，如燃烧石油、天然气既是利用储存在物质内部的化学能。吸热8.2化学能与热能的转换8.2.2化学能储热的应用吸收式制冷机8.2.2化学能储热的应用沸石储热系统沸石有独特的矿物结构，其结构为三维硅氧四面体和三维铝氧四面体，这些四面体按一定的规律排列成具有一定形状的晶体骨架。沸石的矿物骨架是一开放性的，具有很多的大小均一的通道和空腔。在这些孔穴和通道中吸附着金属阳离子和水分子，这些阳离子和水分子与阴离子骨架间的结合力较弱。沸石的这种特殊结构决定了它所特有的性能。8.3化学能与电能转换8.3.1制氢储能电站8.3.2化学电源8.3化学能与电能转换燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。简称燃料电池类型[3]电解质工作温度（℃）电化学效率燃料、氧化剂功率输出AFC碱性燃料电池氢氧化钾溶液室温-9060-70%-氢气、氧气300W-5KWPEMFC质子交换膜燃料电池质子交换膜室温-8040-60%氢气、氧气（或空气）1KWPAFC磷酸燃料电池磷酸160-22055%天然气、沼气、双氧水、空气200KWMCFC熔融碳酸盐燃料电池碱金属碳酸盐熔融混合物620-66065%天然气、沼气、煤气、双氧水、空气2MW-10MWSOFC固体氧化物燃料电池氧离子导电陶瓷800-100060-65%天然气、沼气、煤气、双氧水、空气100KW不受卡诺循环限制，效率高8.5化学能与机械能转换喷雾器内燃机火箭发动机吸气、压缩、做功、排气8.6化学能储存太阳能以色列澳大利亚8.7高分子换能材料重要功能材料8.7.1机械能转变为化学能8.7.2声能转变为化学能8.7.3电磁辐射能转变为化学能8.8氢能制备与储存8.8氢能制备与储存氢气的主要消费领域是石油化工产品的生产，包括合成氨、甲醇、石油炼制产品，三者占总消费量的98%以上。合成氨：我国是农业大国，也是化肥生产大国、合成氨生产大国。合成氨是我国第一大耗氢产品，约占总消费量的80%以上。2008年我国合成氨总产量约5000万t，占全球总产量的1／3，年氢气消耗量约880万t。甲醇：进入21世纪，国内甲醇生产得到了较大发展。2000年全国生产能力达330万t／a，到2008年产能增加到2800万t／a，2008年全国甲醇实际产量1126.3万t，表观消费量1232.9万t，开工率只有40.2%。按2008年的产量1126.3万t计，甲醇的氢气消耗量为132万t／a。如甲醇装置开工率提高，氢气消费量也将随之增加。8.8氢能制备与储存石油炼制：石油炼制工业用氢量略低于甲醇，位居第3位。氢气主要用于石脑油加氢脱硫，精柴油加氢脱硫，改善航空燃油的无烟火焰的高度，燃料油加氢脱硫，加氢裂化。燃料电池：氢能的应用主要是通过氢燃料电池来实现的，氢燃料电池发电的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。燃料电池汽车采用氢气作为燃料，通过氢