氢能与燃料电池技术概述

氢能与燃料电池技术Hydrogeneconomy

概述2新能源太阳能氢能核能生物质能地热能化学电源潮汐能风能可燃冰氢经济2氢经济（Hydrogeneconomy）是能源以氢为媒介（储存、运输和转化）的一种未来的经济结构设想，是20世纪70年代美国应对石油危机提出的。美国在1990年就通过了氢能研究与发展、示范法案，美国能源部(DOE)就此启动了一系列氢能研究项目。特别在小布什出任美国总统期间，美国政府大力推动了“氢经济”，氢能被认为是未来美国能源的发展方向，美国应当走以氢能为能源基础的经济发展道路。电动汽车2MiraiTesla动力系统燃料电池镍氢电池储氢罐锂离子电池电机燃料电池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh动力系统重量(kg)56~40(245V)87.5540~184续航里程(km)502426整备质量(kg)1,8502,108充能时间3~5分钟8小时（标准充）价格(US$)57,50079,900丰田MiraiTeslaModelSvs燃料电池汽车被认为是全电动汽车的终极选择人类使用的能量载体来自何处？答案是：植物原始人生食-钻木取火伐木烧制木炭2人在休息时消耗的平均能量0.1kW对于劳动者来说，需要0.1kW的能量用于工作0.4kW人类和动物对植物的消耗并没有改变大气成分非生物系统提供的唯二机械功：风力发电机水力发电机CO2光合作用2人类第一次拥有了一台非生物机器，可以消耗碳或碳氢化合物，并按需提供机械动力。这开启了工业革命，从而彻底改变了社会，特别是需求越来越多的能源。蒸汽机,1712ThomasNewcomen

能源来自于哪里？煤炭，太阳能在地壳中储存了数百万年碳,固态,

不含H2石油,液态,

-CH2-天然气CH4能源载体的变迁2218605×1012kWh/年20081.2×1014kWh/年超过80％是基于化石燃料世界能源消耗量2全球平均能源需求为2kW/人然而，地球上还有20亿人没有消耗任何化石燃料储量有限，根据能耗外推预测：能源需求量将很快超过能源供应量上世纪人口×4能源需求×24

能源消耗美国:10kW/人欧洲:5kW/人能源需求与供给2污染和地区不稳定性油船起火原油泄漏两伊战争化石燃料的需求也对各国之间的社会、政治和经济往来产生了重大的影响。这是促使人类寻求一种不依赖化石燃料(而选择可无限使用的可再生能源形式）的能源解决方案的两大重要理由。温室效应21.每年大气中二氧化碳的净增加量是多少？2.怎么计算的？CO2

浓度上升≈0.4%/年碳储量和碳交换率温室效应2植物不能实时吸收所有额外释放的二氧化碳CO2导致的温室效应会使地球的平均温度上升反射红外线的气体:CO2,CH4,N2O,CFCs,O3

从南极的沃斯托克冰芯研究过去42万年的气候和大气历史表明：地球温度的变化与大气中温室气体浓度的变化有关CO2浓度持续上升对未来的气候有哪些影响？温室效应2目前我们正处于太阳活动较弱的时期，平均地表温度理应下降然而100年来，地球温度持续上升在过去10年中，观察到平均温度异常急剧增加这是有必要开发一种不含碳（零排放）的新能源载体的另一个重要原因。2人类为什么有必要开发一种不含碳（零排放）的新能源载体？请查阅文献资料，给出充分的证据。复习题2经济收益-化石能源化石能源对社会发展/生活水平有着巨大的影响GNP(国民生产总值)人均消耗的能量人均能源消耗低的国家的国民生产总值较低，反之亦然当今工业化世界的主要经济来源很大程度上来自于化石能源化石燃料-大自然赋予人类的能量载体2能量载体的两种类型I：可逆储能系统：

用机械能或电能的形式充能(储能)/根据需要释能(供能)电容器蓄电池系统的整体效率等于各部分效率的总和（充电效率+放电效率）能量密度取决于活性材料的物理性质/限制在每个原子1至2eV飞轮II：不可逆储能系统

系统通过还原化合物来储存能量→O2+半稳定的产物

6CO2+6H2O→C6H12O6(葡萄糖）+6O22ZnO→Zn+O2产物+O2→

能量+化合物（挥发性或非挥发性的）优点：通过大气运输、储氧和挥发性产物,具有相当高的能量存储密度缺点：涉及更多流程，从而限制了系统的整体效率能量载体的两种类型22氢应该成为未来的能源载体考虑到人类的能源载体从零氢向富氢发展的历史进程，以及必须避免二氧化碳排放（温室效应）C(煤,固态)→−CH2−(石油,液态)→CH4(天然气)→H2(氢气)推断：氢应该成为未来的能源载体氢的循环利用2在氢循环中，太阳能发电用于电解水以制氢，然后储存和燃烧氢气，最后氢返回水中，进入下一个闭环H2←H2O/-CH2-

电解消耗电能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少数几个过程是产氢的氢能社会可选择的能量来源有哪些？氢的循环利用2在氢循环中，太阳能发电用于电解水以制氢，然后储存和燃烧氢气，最后氢返回水中，进入下一个闭环H2←H2O/-CH2-

电解消耗电能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少数几个过程是产氢的氢能社会可选择的能量来源有哪些？可能的能源2核裂变核聚变人为控制的核裂变-受核反应堆中核素的开采和对裂变反应产物的处理所限在地壳中储存的高浓度的裂变原料有限，且仅能满足全球能源的需求不超过100年可能的能源2地球上的自然裂变使地表拥有一定的热量，在冰岛等特殊国家或地区使用地热能作为主要能源然而，对潜在的地热能数量的估计表明，它们实际只覆盖了全球能源需求的很小一部分（涡轮机）2在地质年代，一次能源的唯一来源是H2的核聚变两种选择:地球上的核聚变/地球外（太阳）的核聚变地球上的核聚变：人为控制

，在极高温下集中供能

而释放大量能量仅在氢弹中实现未来：和平地利用聚变作为主要能源；但由于大量技术问题，

聚变还不能实现利用（ITER项目）可能的能源2可能的能源通过振荡的方式，太阳给地球表面提供聚变能，频率为24h，基础频率为一年到达地球的能量平均强度低，仅为165Wm−2人类面临的挑战--通过以下方式转换能量和使能量集中水力发电风能太阳能电池板生物质能2可能的能源例如，通过光电转换测算：太阳常数1.369kWm-2＆~50％太阳光辐射到达地球表面光伏系统在理想条件下，效率可达10%左右—需要覆盖约473000km2（80m2/人）面积的光伏电池才能满足当今的世界能源需求总面积=位于非洲北部的一个广场（700km×700km）2挪威卑尔根，北欧21:45,Aug4,2012氢的循环利用2来自太阳的能量转化为电能例如：光伏电池来自可再生能源的电力→水的电解O2→大气H2→储存→运输→分销2H2+O2→2H2O+能量(燃烧)

能量=热量+做功

水/蒸气→大气

由此完成一个氢的循环2复习题请详细描述如何完成一个氢循环的闭合过程。电解水2电解水—技术成熟，已市场化，可产出高纯H2电解产生的H2中的杂质仅有：H2O&O2在环境温度和大气压力下电解-最小电压1.481V&最低能耗39.4kWhkg−1H2

目前水平：电解槽系统能耗大约47kWhkg−1H2

，效率最高约82%2含能量单位质量H2的化学能(39.4kWhkg−1)–比其他的燃料大2倍例如：液态碳氢化合物(13.1kWhkg−1)

1kgH2的能量=3kg石油的能量然而，在实现氢经济之前，需要克服众多技术和经济挑战H2oil2技术挑战实时产氢、安全/方便地储存、运输，以及提高H2燃烧的效率，要满足全世界对能源的需求，需要>3×1012kgH2/年，是大约目前氢气产量的100倍安装相关的设备需要预先消耗大量的能源，以及大量的资金投入众多工艺过程（制氢、调质、运输、分销、能量转化等）降低了综合能源效率；经济挑战2经济挑战：制氢成本当今世界的经济是基于自然界储存了数百万年的免费能源购买化石燃料的价格低—仅仅支付了开采成本为了使世界适应氢气等人造燃料，世界经济体应被说服为太阳能转化为燃料买单2新能源太阳能氢能核能生物质能地热能化学电源潮汐能风能可燃冰氢经济2氢经济（Hydrogeneconomy）是能源以氢为媒介（储存、运输和转化）的一种未来的经济结构设想，是20世纪70年代美国应对石油危机提出的。美国在1990年就通过了氢能研究与发展、示范法案，美国能源部(DOE)就此启动了一系列氢能研究项目。特别在小布什出任美国总统期间，美国政府大力推动了“氢经济”，氢能被认为是未来美国能源的发展方向，美国应当走以氢能为能源基础的经济发展道路。电动汽车2MiraiTesla动力系统燃料电池镍氢电池储氢罐锂离子电池电机燃料电池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh动力系统重量(kg)56~40(245V)87.5540~184续航里程(km)502426整备质量(kg)1,8502,108充能时间3~5分钟8小时（标准充）价格(US$)57,50079,900丰田MiraiTeslaModelSvs燃料电池汽车被认为是全电动汽车的终极选择2污染和地区不稳定性油船起火原油泄漏中东战争化石燃料的需求也对各国之间的社会、政治和经济互动产生了重大的影响。这是促使人类寻求一种不依赖化石燃料(而选择可无限使用的可再生能源形式）的能源解决方案的两大重要理由。温室效应21.每年大气中二氧化碳的净增加量是多少？2.怎么计算的？CO2

浓度上升≈0.4%/年碳储量和碳交换率氢的循环利用2在氢循环中，太阳能发电用于电解水以制氢，然后储存和燃烧氢气，最后氢返回水中，进入下一个闭环H2←H2O/-CH2-

电解消耗电能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少数几个过程是产氢的氢能社会可选择的能量来源有哪些？2含能量单位质量H2的化学能(39.4kWhkg−1)–比其他的燃料大2倍例如：液态碳氢化合物(13.1kWhkg−1)

1kgH2的能量=3kg石油的能量然而，在实现氢经济之前，需要克服众多技术和经济挑战H2oil2技术挑战实时产氢、安全/方便地储存、运输，以及提高H2燃烧的效率，要满足全世界对能源的需求，需要>3×1012kgH2/年，是大约目前氢气产量的100倍安装相关的设备需要预先消耗大量的能源，以及大量的资金投入众多工艺过程（制氢、调质、运输、分销、能量转化等）降低了综合能源效率；经济挑战2经济挑战：制氢成本当今世界的经济是基于自然界储存了数百万年的免费能源购买化石燃料的价格低—仅仅支付了开采成本为了使世界适应氢气等人造燃料，世界经济体应被说服为太阳能转化为燃料买单2讨论题以2014年底丰田未来Mirai氢燃料电池车正式商业化为标志，世界正式步入氢经济建设初期。请查阅资料，评述各国禁油令和发展氢能的政策措施对经济的影响。2.氢能发展史2氢的历史时间表简介兴登堡和挑战者灾难HenryCavendishhydrogencarhydrogenbomb2.1氢的历史时间表2JanBaptistavanHelmont2.1氢的历史时间表2据报道，在中世纪，帕拉塞尔苏斯注意到，当铁溶解在“硫酸”中时会产生气体。罗伯特·博伊尔用稀硫酸和铁制出了“人造的空气”Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑硫酸亚铁ParacelsusSwiss2德国化学家GeorgErnstStahl燃素理论2他证明有不同类型的空气，其中一种是“易燃空气”。1770年，他在氢-氧混合物中进行放电实验，从而产生水。对于易燃空气，基于希腊语“hydor”提出了“氢”这个词，意思是1787年的水源。HenryCavendishBritishAntoine-LaurentdeLavoisierFrench2从煤和碳氢化合物中制氢2水电解制氢

1800年，Nicholson和Carlisle通过电流将水分解为氧气和氢气。2电解水的主要技术碱性电解水制氢原理图PEM水电解原理图电解水制氢已经工业化。水电解制氢设备的核心部分是电解槽;目前常用的电解槽有碱性电解槽、质子交换膜电解槽(PEM）2Döbereiner铂金打火机1823年，JohannWolfgangDöbereiner（德国人）发明了第一款轻型“口袋式”雪茄打火机。SirWilliamGrove于1839年制作了一个“伏打电池”，它是现代燃料电池的雏形。

伏打电池储氢技术2T.Graham报道，钯金属可以通过形成金属氢化物吸收大量的氢。

1898年5月10日，JamesDewar（苏格兰人）使用循环冷却成为第一个使用静态液化氢的人。麦格纳斯太尔和宝马开发的液氢罐系统金属氢化物2储氢技术高压罐系统35MPa氢罐70MPa氢罐高压MH罐2氢的同位素和氢弹1954年3月1日，美国在马绍尔群岛的小比基尼环礁点燃了第一枚氢弹。氕放电管

氘放电管1931年，Urey，Brickwedde和Murphy发现了氢同位素H2，氘。

氚荧光1935年，Oliph