正文课件第七章新能源与可再生能源利用.ppt

2．氢的制备 为了实现氢能的大规模应用，最关键的是要找到一种廉价低能耗的制氢方法。 制备氢的基本方法： （1）化石燃料转化制氢 该制氢的方法是：采用煤、石油或天然气等化石燃料，在高温与水蒸气发生催化反应，对于不同物料其反应方程有： 甲烷催化水蒸气重整反应 → 煤气化制氢反应 → 甲醇催化裂解反应 → 由于制氢反应都是吸热反应，所需要的热量从部分燃料煤气或天然气获得，可以利用外部热源，如核能等。 （2）电解水制氢 水电解过程就是使直流电通过导电水溶液(通常加H2SO4或KOH)使水分解成H2和O2,电解的反应式为 为了提高制氢效率，水的电解通常在3.0－5.0MPa的压力下进行。 近年来，采用煤辅助水电解的方法,可以使电解的能耗比常规方法下降100%。 （3）热化学制氢 从水中制氢也可以通过高温化学反应的方法进行。按照反应中所涉及的中间载体物料，可以分成氧化物体系，卤化物体系、含硫体系和杂化体系四种反应体系。如，氧化物体系： 其中Me为金属Mn、Fe、Co等。 对于四种体系的反应过程都可以写成一种通用形式 总反应为 反应式中X是反应的中间媒体（如，氧化物，卤化物），它在反应中并不消耗，仅参与反应。整个过程仅仅消耗水和一定的热量，热化学反应的温度约为1073～1273K。 （4）生物质制氢 固态生物质制氢的基本工艺为将生物质生成合成气。合成气中的碳氢化合物再与水蒸气发生催化重整反应，生成H2和CO2。整个反应式为： 3．规模化制氢技术 (1)核能热利用制氢 (2)太阳能热分解水制氢 (3)太阳能电解水制氢 (4)风能电解水制氢 (5)太阳能直接光解水制氢 (6)人工光合成作用制氢 （7)光合作用制氢 (8)生物制氢 4．氢的储存 氢的储存难度很大，目前可以采用的储氢方法有下列三种。 1）高压储存 将氢气压缩成高压（15～20MPa），装入钢瓶中储存和运输。但由于氢气密度很小，不能解决大量氢的储存问题。目前正在研究一种微孔结构的储氢装置. 2）液态储存 将氢气冷却到20K，氢气将被液化，储存在绝热的低温容器中。 3）金属氢化物储存 当氢和金属形成氢化物时，氢就以固态的形式存储于氢化物中。当需要用氢时，通过加热，氢化物就可以放出氢气。金属氢化物储存使用方便，运输简单，是氢气储存中最方便且有发展前景的一种储氢方法。 4) 碳材料储存 做储氢介质的碳材料主要有高比表面积的活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管。纳米碳管储氢已成为当前研究热点。 5．氢能的利用 （1）航空航天 （2）交通运输 （3）工业 目前正在研究以氢作为燃料的峰值负荷发电厂，其热效率可达到47～49%。而更有市场前景的还是直接以氢为原料的燃料电池。 7.6.2 燃料电池 燃料电池的化学燃料储存在电池的外部，它可以按电池的需要，源源不断地提供化学燃料。 燃料电池所用的燃料来自氢及含氢量高又易分解的物质如天然气、煤化气、石油、甲醇、乙醇、甲烷等。 1．燃料电池的工作原理 燃料电池的结构与蓄电池相似，也是由正、负两个电极（可分别称为燃料极、空气极）和电解质组成；但燃料电池的反应剂（燃料和氧化剂）并不储存在电池中，而由外界不断地输入，生成物则不断地引出。 图7－40为氢－氧燃料电池的工作原理图。 在 阳极－电解液分界面，氢分子根据下面的表达式离解为氢离子和电子 2H2（g）→4H+＋4e－ 这些电子通过外电路流动，并且在那里作电功，然后回到电池的阴极。其间，氢离子通过电解液扩散到电解液－阴极分界面，并依照下述表达式，它们在分层面处与回来的电子和氧气结合形成液态水。 O2（g）＋4H+＋4e－→2H2O（l） 1－多孔的碳极　2－电解液（氢氧化钾） 图7－40 氢－氧燃料电池工作原理 因此，全部的化学反应是： 2H2（g）＋O2（g）→2H2O(l) 在这个反应过程中，每个氧分子（或每两个氢分子）有四个电子通过外电路。那么，每摩尔氧（或每两摩尔氢）所输出的电能是： We＝4NAeE 由热力学第一、第二定律，每摩尔氧（或每两摩尔氢）所发出的电能W