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1、,*,新能源與分布式發(fā)電,氫能與燃料電池,震驚世界,的,的爆炸,讀一下教,材,材第,8,章的引例,故,故事，相,信,信你一定,能,能感受到,氫,氫能的巨,大,大威力,如果氫的,能,能量只被,用,用于改善,人,人類的生,存,存和生活,條,條件，那,么,么將是人,類,類的一大,福,福音。,8,氫能與燃,料,料電池,關(guān)注的問,題,題,怎樣才能,從,從各種化,合,合物中制,取,取氫氣？,氫氣應(yīng)該,如,如何保存,？,？,燃料電池,是,是怎樣工,作,作的？,燃料電池,有,有哪些類,型,型？,各種燃料,電,電池的原,理,理和特點,？,？,燃料電池,可,可以在哪,些,些場合應(yīng),用,用？,教學(xué)目標(biāo),了解氫和,氫

2、,氫能的特,點,點及其利,用,用情況，,掌握主要,的,的氫的制,取,取和儲存,方,方式，,了解燃料,電,電池的工,作,作原理和,主,主要類型,，,，,理解燃料,電,電池的特,點,點和應(yīng)用,價,價值。,8.1,氫和氫能,概,概述,8.1.1,氫和氫能,氫是宇宙,中,中最豐富的,元,元素，在地球,上,上的含量,排,排第三。,除了空氣,中,中的少量,氫,氫氣，絕,大,大部分氫,元,元素都以化合物形態(tài)存在,，,，主要存,在,在水中。,若把全球,水,水中的氫,都,都提煉出,來,來，約有,15,億億噸，,所,所產(chǎn)生的,熱,熱量是地,球,球上化石燃料,的,的,9000,倍。,氫在元素,周,周期表中,排,排在

3、首位,，,，是已知最輕的元,素,素。標(biāo)準(zhǔn)狀,態(tài),態(tài)下，氫,氣,氣為無色無味,的,的氣體，密度是,空,空氣的,1/14.5,。,發(fā)現(xiàn)故事,：,：氫的發(fā)現(xiàn),和,和命名,8.1.2,氫能及其,利,利用方式,氫能主要是指,氫,氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時釋放的,能,能量。,想一想：,氫,氫能是一,次,次能源還,是,是二次能,源,源？,利用氫能,的,的方式很多，包,括,括：,直接作為,燃,燃料提供熱能或在熱力發(fā)動機(jī)中,做,做功；,制造燃料電池，在催化,劑,劑作用下,進(jìn),進(jìn)行化學(xué),反,反應(yīng)生產(chǎn),電,電能；,利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核,能,能；等等,。,。,（,1,）氫燃料,氫的含熱量很,高,高，燃燒時

4、,釋,釋放熱量,140MJ/kg,。,氫氣燃燒性能好，點燃,快,快，燃點,高,高，混入,4%74%,的空氣時,仍,仍能穩(wěn)定,燃,燃燒。,氫是最清潔的燃料，,燃,燃燒后只,生,生成水和,微,微量的氮,化,化氫。氮,化,化氫經(jīng)適,當(dāng),當(dāng)處理后,也,也不污染,環(huán),環(huán)境。,將來，氫,有,有可能取,代,代石油，,成,成為使用,最,最廣泛的,燃,燃料之一,。,。,8.1.2,氫能及其,利,利用方式,（,2,）氫的核,聚,聚變,氫的核能,利,利用，理,論,論基礎(chǔ)是,愛,愛因斯坦,的,的相對論。發(fā)生質(zhì),量,量虧損時,釋,釋放出的,能,能量為,E=mc,2,。,1g,的氫聚變,為,為氦，質(zhì),量,量損失,0.71

5、1%,，能釋放,多,多少能量,？,？,氫的核聚變能,量,量比鈾原子,核,核裂變釋,放,放的能量,大,大若干倍,。,。且核聚變,過,過程中沒有放射,性,性，對環(huán)境無污染。,一旦受控,的,的氫核聚,變,變獲得成,功,功，人類,的,的能源與,環(huán),環(huán)境問題,將,將得到根,本,本的解決,。,。,8.1.2,氫能及其,利,利用方式,（,3,）氫燃料,電,電池,參見后面,燃料電池,的內(nèi)容。,8.1.2,氫能及其,利,利用方式,氫能可以,輸,輸送、儲,存,存、大規(guī),模,模生產(chǎn)并,且,且能再生,利,利用，基,本,本無污染,，,，具有無,可,可比擬的,潛,潛在開發(fā),價,價值。,16,世紀(jì)就有人在金屬與酸的反應(yīng)中得

6、到過氫,氣,氣。,1766,年有論文詳,細(xì),細(xì)介紹了,氫,氫氣的制備方法,和,和性質(zhì)。,1938,年，有人提,出,出以氫為航空器燃,料,料的設(shè)想。,1950s,，加拿大,嘗,嘗試把氫,作,作為普通內(nèi)燃,機(jī),機(jī)燃料，美國開,始,始研究用液氫作為軍用,飛,飛機(jī)的飛行燃科。,8.1.3,氫能的應(yīng),用,用歷史,由于液氫,的,的優(yōu)良燃,燒,燒特性和,能,能量密度,，,，廣泛的,用,用于衛(wèi)星,和,和航天器,的,的火,箭,箭,發(fā),發(fā),動,動,機(jī),機(jī)中,。,。,1960s,以,后,后,，,，燃,料,料,電,電,池,池發(fā),展,展,起,起,來,來,，,，,又,又,給,給,氫,氫,能,能,的,的,利,利,用,用,開

7、,開,辟,辟,了,了,一,一,個,個,新,新,的,的,領(lǐng),領(lǐng),域,域,。,。,以液,氫,氫,為,為,原,原,料,料的,燃,燃,料,料,電,電,池,池電,動,動,車,車，,已,已,進(jìn),進(jìn),入,入,商,商,業(yè),業(yè),化,化,生,生,產(chǎn),產(chǎn),階,階,段,段,。,。,8.1.3,氫,能,能,的,的,應(yīng),應(yīng),用,用,歷,歷,史,史,氫,能,能,和,和,平,平,利,利,用,用,的,的終,極,極,夢,夢,想,想就,是,是,受,受,控,控,的,的氫,核,核,聚,聚,變,變。,其,其,原,原,料,料,可,可,直,直,接,接,取,取,自,自,海,海,水,水,中,中,的,的,氘,氘,。,。,科,學(xué),學(xué),家,家,預(yù),預(yù)

8、,測,測,，,，氫,能,能,和,和,電,電,能,能將,成,成,為,為,未,未,來,來,能,能,源,源,體,體,系,系,的,的兩,大,大,支,支,柱,柱。,8.2,氫,的,的,制,制,取,取,氫,能,能，,通,通,常,常,指,指,游,游,離,離,的,的分,子,子,氫,氫,H,2,所,具,具,有,有,的,的,能,能,量,量,。,。,地,球,球,上,上,的,的,氫,氫,元,元,素,素,相,相,當(dāng),當(dāng),豐,豐,富,富,，,，,但,但游,離,離,態(tài),態(tài),的,的,很,很,稀,稀,少,少。,氫通常,以,以化合,物,物形態(tài),存,存在于,水,水、生,物,物質(zhì)和,礦,礦物質(zhì),燃,燃料中,。,。從這,些,些物質(zhì),中

9、,中獲取,氫,氫，需,要,要消耗,大,大量的,能,能量。,（,1,）煤為,原,原料制,氫,氫,煤制氫,的,的本質(zhì),是,是用碳置,換,換水中的氫，生成,H,2,和,CO,2,。發(fā)生的,化,化學(xué)反,應(yīng),應(yīng)是,C+2H,2,OCO,2,+2H,2,方法主,要,要有兩,種,種：,一是煤,的,的焦化，隔絕空,氣,氣以,9001000,高溫制取焦碳，副產(chǎn),品,品為焦?fàn)t煤,氣,氣（含,55,60,的氫,氣,氣）。,二是煤,的,的氣化，在高,溫,溫下與水蒸汽或氧氣,(,空氣,),等發(fā)生,反,反應(yīng)轉(zhuǎn),化,化成氣,體,體產(chǎn)物,。,。氫氣,含,含量與,氣,氣化方,法,法有關(guān),。,。,8.2.1,化石燃,料,料制,氫

10、,（,2,）天然,氣,氣制氫,天然氣,的,的主要,成,成分甲,烷,烷含有,氫,氫元素,，,，制氫,方,方式主,要,要有兩,種,種。,天然氣,蒸,蒸汽轉(zhuǎn),化,化制氫，其,化,化學(xué)反應(yīng),為,為,CH,4,+2H,2,O 4H,2,+CO,2,這種傳統(tǒng),制,制氫過程,伴,伴有大量,的,的二氧化,碳,碳排放。,甲烷,(,催化,),高溫裂解,制,制氫，制取,H,2,的同時，,還,還能得到,碳,碳，而不,向,向大氣排,放,放,CO,2,。該法技,術(shù),術(shù)簡單，,但,但是制造,成,成本不低,。,。,8.2.1,化石燃料,制,制,氫,（,3,）重油部,分,分氧化制,氫,氫,重油部分,氧,氧化過程中碳,氫,氫化合

11、物,與,與,O2,、水蒸氣,反,反應(yīng)生成,H2,和,CO2,。,要在一定的壓,力,力下進(jìn)行，,可,可能還需,要,要采用催,化,化劑。,制得的氫主要,來,來自水,蒸,蒸氣。,8.2.1,化石燃,料,料制,氫,目前，,氫,氫氣大,多,多是以石油、,天,天然氣,和,和煤為主要,原,原料制,取,取的。,化石燃,料,料制造,氫,氫氣的,傳,傳統(tǒng)方,法,法，會排放大,量,量的溫,室,室氣體，對環(huán),境,境不利,。,。,氫大多,存,存在水,中,中，將,水,水分解,制,制取氫,氣,氣是最,直,直接的,方,方式。,8.2.2,水分解,制,制,氫,（,水的,電解過程,就是在,導(dǎo)電的水溶液,中通,電,，將水分解成,H

12、,2,和,O,2,。,其反應(yīng)式為：,水電解,操,操作簡,便,便，制,得,得的氫氣純,度,度高，但需消耗電,能,能。,常壓下,電,電解制,氫,氫的能,量,量效率,一,一般在,70%,左右。,為,為提高,效,效率，,通,通常在,3.05.0MPa,的壓力,下,下進(jìn)行,。,。,（,2,）高溫,水,水蒸氣,分,分解制,氫,氫,水直接,分,分解需,要,要,2227,以上的溫度,，,，工程實現(xiàn),難,難度很大。,為,為降低分解,溫,溫度，可采,用,用多步驟熱,化,化學(xué)反應(yīng)制,造,造氫氣。,其化學(xué)反應(yīng),通,通式為,X,為中間媒體，僅參與反,應(yīng),應(yīng)，并不消,耗,耗，但是因,其,其反應(yīng)呈氣,態(tài),態(tài)，很易和,氧,氧

13、氣發(fā)生反,應(yīng),應(yīng)而重新生,成,成氧化物。,因,因此，需將,它,它們從產(chǎn)物,中,中分離出來,。,。整個過程,僅,僅僅消耗水,和,和一定的熱,量,量。,8.2.2,水分解制,氫,（,3,）等離子體,制,制造氫氣過,程,程,用電場電弧能將水加熱,到,到,5000,，分解成,H,、,H,2,、,O,、,O,2,、,OH,和水。,要使等離子,體,體中氫組分,含,含量穩(wěn)定，,就,就必須使氫,不,不再和氧結(jié),合,合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高。,8.2.2,水分解制,氫,我國的氫氣,生,生產(chǎn)，除了,用,用化石燃料以外，其余,的,的主要都通,過,過水電解法生產(chǎn)。不產(chǎn),生,生溫室氣體,，,，但是生產(chǎn),成,

14、成本較高。,趣聞：神秘的海面,大,大火,（,1,）,生,生,物,物,質(zhì),質(zhì),氣,氣,化,化,制,制,氫,氫,將,生,生,物,物,質(zhì),質(zhì),原,原,料,料壓,制,制,成,成,型,型，,在,在氣,化,化,爐,爐（,或,或,裂,裂,解,解,爐,爐,）,）,中,中,進(jìn),進(jìn),行,行,反,反,應(yīng),應(yīng),制,制,得,得含,氫,氫,的,的,混,混,合,合,燃,燃,料,料,氣,氣。,其,中,中,的,的,碳,碳,氫,氫,化,化,合,合,物,物,再,再,與,與,水,水,蒸,蒸,氣,氣,發(fā),發(fā),生,生,反,反,應(yīng),應(yīng),，,，,生,生,成,成,H,2,和,CO,2,（,參,參,見,見,天,天,然,然,氣,氣,制,制,氫,氫

15、,）,）。,8.2.3,生,物,物,制,制,氫,（,2,）,微,微,生,生,物,物,制,制,氫,氫,在,常,常,溫,溫,常,常,壓,壓,下,下,利,利,用,用微,生,生,物,物進(jìn),行,行酶,催,催,化,化反,應(yīng),應(yīng),制,制,得,得,氫,氫,氣,氣,。,。,用,于,于,制,制,氫,氫,的,的,微,微,生,生,物,物,有,有,兩,兩,大,大,類,類,：,：,光,光,合,合,細(xì),細(xì),菌,菌或,藻,藻,類,類,，,，,在,在,光,光,照,照,作,作,用,用,下,下,使,使,有,有,機(jī),機(jī),酸,酸,分,分,解,解,出,出,H2,和,CO2,；,厭,厭,氧,氧,菌,菌，,利,利,用,用,碳,碳,水,水,化

16、,化,合,合,物,物,及,及,蛋,蛋,白,白,質(zhì),質(zhì),等,等,，,，,發(fā),發(fā),酵,酵,產(chǎn),產(chǎn),生,生,H2,、,CO2,和,有,有,機(jī),機(jī),酸,酸,。,。,江,河,河,湖,湖,海,海,中,中,的,的,某,某,些,些,藻,藻,類,類,、,、,細(xì),細(xì),菌,菌,，,，,有,有,這,這,種,種,功,功,能,能,。,。,8.2.3,生,物,物,制,制,氫,（,1,）,間,間,接,接,制,制,氫,氫,太,陽,陽,能,能,間,間,接,接,制,制,氫,氫,法,法,主,主,要,要,是,是太,陽,陽,能,能,發(fā),發(fā),電,電電,解,解,水,水,制,制,氫,氫。,未,來,來規(guī),模,模,化,化制,氫,氫,最,最,具,具,有,有,吸,吸,引,引,力,力,且,且,最,最,具,具,現(xiàn),現(xiàn),實,實,意,意,義,義,的,的,途,途,徑,徑,。,。,8.2.4,太,陽,陽,能,能,制,制,氫,（,2,）,直,直,接,接,制,制,氫,氫（,兩,兩,種,種,方,方,法,法,）,）,熱,分,分,解,解,法,法，用太,陽,陽,能,能直,接,接裂,解,解,水,水，,得,得,到,到,氫,氫,和,和,氧,氧,。,。,須,須,將,將,水,