第七讲 氢能和燃料电池.ppt

第七讲 氢能和燃料电池 氢的特点 氢能应用的关键问题 氢的制取 氢的储存和运输 发展氢能的原因 煤炭石油等矿物燃料的广泛使用，已对全球环境造成严重污染，甚至对人类自身的生存造成威胁。 矿物燃料的存量，是一个有限量，也会随着过度开采而枯竭。 当前在设法降低现有常规能源（如煤、石油等）造成污染环境的同时，清洁能源的开发与应用是大势所趋。 氢作为化学能的载能体，和大气中的氧燃烧或反应后，只生成水 氢是一种清洁的能量载体；氢能和电能一样，没有直接的资源蕴藏，都需要从别的一次能源转化得到，所以，氢能是一种二次能源 氢气是最清洁的燃料 ①氢的原料是丰富的水，氢可由多种一次能量制出故没有资源的限制 ②氢的燃烧生成物是水，不污染环境 ③与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环 ④与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易 ⑤氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等 ⑥氢能可由燃料电池直接用来发电 ⑦氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可广泛用于电池等 ⑧氢可广泛用作化工等的原料 科学家认为，氢能在二十一世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源 燃料电池系统是氢能利用的最佳方案和新技术平台，是火力发电、水力发电、原子能发电之后的第四大发电方式。 氢能系统 氢能系统 氢的特点 所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。 除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。 氢的特点 氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。 氢能应用的关键问题 廉价的制氢技术。因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。 安全可靠的贮氢和输氢方法。由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。 大规模高效利用氢能的末端技术 氢的制取 传统的制氢技术 烃类水蒸气重整制氢法、 重油（或渣油）部分氧化重整制氢法 电解水法。 新制备方法 生物制氢 利用工农业副产品制氢的技术也在发展。 热化学循环制氢 太阳能 地热能 核能等 氢的制取 氢的储存 高压气态贮存 低温液氢贮存 金属氢化物贮存 高压气态贮存 ?气态氢可贮存在地下库里，也可装人钢瓶中。 为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。 一般一个充气压力为20MPa的高压钢瓶贮氢重量只占1.6％；供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5％。为提高贮氢量，目前正在研究一种微孔结构的储氢装置，它是一微型球床。微型球系薄壁（1～1Oμm），充满微孔（10～100μm），氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。 低温液氢贮存 将氢气冷却到-253℃，即可呈液态，然后，将其贮存在高 真空的绝热容器中。 液氢贮存工艺首先用于宇航中，其贮存成本较贵，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠直径约为30～150μm，中间是空心的，壁厚l～ 5μm。在部分微珠上镀上厚度为1μm的铝。由于这种微珠导热系数极小，其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠（一般约为3％～5％）混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存罐，美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。 金属氢化物贮