氢能西安交通大学新能源.pptx

可再生能源转化与利用第十二章第十二章 氢能氢能第第1 1节节氢的性质及氢安全氢的性质及氢安全第第2 2节节分解水制氢分解水制氢第第3 3节节可再生能源制氢可再生能源制氢第第4 4节节氢能的储存氢能的储存第第5 5节节氢能利用技术氢能利用技术3 氢能是指氢能是指以氢及其同位素为主导的反应中或者氢在状态变化以氢及其同位素为主导的反应中或者氢在状态变化过程中所释放的能量过程中所释放的能量 氢能可以是由于氢能可以是由于氢的热核反应氢的热核反应释放，也可以由氢跟氧化剂发释放，也可以由氢跟氧化剂发生生化学反应化学反应所放出前一种反应释放的能量通常称为所放出前一种反应释放的能量通常称为热核能热核能或聚变能或聚变能，后一种反应放出的能量称为，后一种反应放出的能量称为燃料反应的化学能燃料反应的化学能 氢是一种活泼的元素它不仅可与氧及卤族元素等化合放出氢是一种活泼的元素它不仅可与氧及卤族元素等化合放出化学能，而且还可与金属等化合而释放出化学能化学能，而且还可与金属等化合而释放出化学能 不同种类的氢反应，其放出的能量是大有差别的，因而其利不同种类的氢反应，其放出的能量是大有差别的，因而其利用程度和利用方式也可各不相同。

用程度和利用方式也可各不相同1.1.氢能的内涵氢能的内涵4根据爱因斯坦的质量和能量的相互转换关系：式中Δm为反应前后物质的质量变化；c为光速；E为反应前、后由于物质质量变化所转化的能量．氢聚变为氦的转换反应是：元素符号的左上标表示质量数，左下标表示质子 1.1.氢能的内涵氢能的内涵ØØ 氢的热核反应氢的热核反应5所放出的热核能为：E=(4×MH­MHe) ×c2=(4×1.673×10­24­6.644×10­24) ×10­3×(3×108)2=(6.692×10­24­6.644×10­24) ×10­3×(3×108)2=4.32×10­12JMH=1.673×10­24g为氢的原子质量； MHe=6.644×10­24g为氦的原子质量上式表示在氢的聚合反应中，四个氢原子质量的消耗可以生成 新的元素氦，并换来4.32×10­12J的能量因此，消耗1kg氢原子 质量可以换得的氢能量为：E=4.32×10-12/6.692×10-24×103=6.455×1014J1.1.氢能的内涵氢能的内涵6跟氢的热核反应不同，氢能也可在较低温度下通过氢和氧化剂的化学反应放出热量氢与氧的化合需在一定温度下进行(773K以上），但当有铂催化、或当周围有明火存在时，在室温下也可与之反应而生成水，并放出大量的热。

生成气态和液态水放出的热量分别为：241.418kJ/mol和286kJ/mol在298K，101.3kPa下，氢跟氧的当量总体反应可用下式表示:or 1.1.氢能的内涵氢能的内涵两式之间在反应两式之间在反应 热上的差别等于热上的差别等于 水的汽化潜热水的汽化潜热ØØ 氢氧燃烧反应释放能量氢氧燃烧反应释放能量7这种化学反应放出的能量远小于氢核反应放出的能量但跟普通类液体燃料在同样氧化剂中燃烧时所产生的燃烧热相比，则高的多 氢、甲烷、甲醇、汽油燃料的比较表燃料H2CH4CH3OH汽油相对分子量21632100～105含碳量/(g·mol­1)07537.585～88燃烧热/kcal·g­­134.213.35.4131.1.氢能的内涵氢能的内涵8Ø 各类燃料中，氢的着火温度最高（主要影响发动机压缩比），它约比汽油或正辛烷高出130K从这一点来说，燃氢发动机的压比应当可以比汽油机的压比选得高些；Ø 单就提高压比这一项技术措施来说，氢发动机的热效率就可比汽油机的提高13.5%；Ø 由于氢的着火温度高，蒸发潜热大，故当发动机采用液氢直接喷射时，在冷车起动时就会发生困难；ØØ 氢的燃烧性质氢的燃烧性质1.1.氢能的内涵氢能的内涵9它的点火能量最小，着火范围宽广。

这种性质，一方面对发动 机在部分负荷下的工作有利，但在另一方面却容易造成发动机 中预混可燃气体的提前着火、返火或敲缸；氢的火焰速度高、扩散速度快，有利于氢和空气或氢和燃气的 快速混合，所以发动机的燃烧效率很高这是它的有利之处 但是，如氢和空气按化学当量来混合，则由于燃烧温度高，气 缸内高温部件的热负荷大，则又造成了不利的一面；燃料性质带来的另一重大特点是燃烧热上的差异氢的重量燃 烧热在各种燃料中为最高从汽车的燃料装载重来说，它几乎 可比汽油或液化甲烷减轻2­3倍ØØ 氢的燃烧性质氢的燃烧性质1.1.氢能的内涵氢能的内涵10Ø氢是宇宙中最丰富的元素我们通常所说的氢，其元素符号为H，原子量1.0079，原子序数 1在周期表中列第一，是最简单和最轻的元素1） 地球上，氢主要是跟氧化合以水的形式存在于江、河、湖泊和海洋之中水中含氢重量为11 .2%氢在地壳中按元素重量计占1/42 2、氢的基本性质、氢的基本性质112）氢具有三种同位素，即:普通氢(H)，Hydrogen, 学名氕 ( ); 重氢（D），Deuterium,学名为氘（ ）;超重氢(T)，Tritium，学名称氚，符号为( )。

左下标为原子的质子数，左上标为原子的质量数；它们的原子量分别为MH=1.0079、 MD=2.0141、 MT=3.01612 2、氢的基本性质、氢的基本性质12Ø氢和重氢都是稳定的同位素，而氚则是放射性同位素天然氢 中约含0.016%(原子百分比)的重氢D，而T的存在量仅为10­17在水中也可发现有微量的氚存在 Ø通常所说的自然氢的性质都是指普通氢由于氘和氚在自然氢 中含量很少，它们对自然氢的总性质影响极微，一般可以忽略 不计 Ø这三种不同质量的氢原子，相互之间可以有六种不同的组合方 式来形成分子，即: H2 D2 T2 HD HT DT, 其中 T2、DT和HT是不稳定的分子Ø氢、重氢和超重氢都是热核反应所需的重要燃料2 2、氢的基本性质、氢的基本性质133）正氢和仲氢 (氘，氚也有类似的正仲的区别)氢分子中两个氢原子核的自旋方向相同时称正氢（n­H2)氢分子中两个氢原子核的自旋方向相反时称仲氢 (p­H2)Figure Ortho-(left) and para-hydrogen (right)2 2、氢的基本性质、氢的基本性质14常温下，含75％正氢和25％仲氢的平衡氢，称为正常氢或标准氢。

高温时，正­仲态的平衡组成不变；低于常温时，正­仲态的平衡组成将随温度而变，并最终处于平衡温度降低，仲氢浓度增加正氢和仲氢之间转化时，会伴随有反应热产生从下页表可以看出，在低温下，仲氢较正氢稳定可采用催化剂来加速氢气达到正仲平衡现已发现的顺磁性物质（有未成对电子的分子，在外加磁场中必须按磁场方向排列，分子的这种性质叫顺磁性，具有这种性质的物质称顺磁性物质，反之，为反磁性）NO、NO2都有催化氢气正仲平衡的作用2 2、氢的基本性质、氢的基本性质15Ø 氢的主要理化性质及其应用 1）氢的气、液、固三态正氢、仲氢及平衡氢的熔点和沸点见下表由表看出正氢的沸点和熔点均 略高于仲氢2 2、氢的基本性质、氢的基本性质正氢、仲氢的正氢、仲氢的 物理性质物理性质 16a)气态氢氢通常以气态存在，我们通常所说的氢的性质未加特殊说明时均指的气态氢，它是分子量最小的气体氢气的密度很低，在0.1013MPa和273K之下，其密度为ρ=0.089×10­3g/cm3它比空气轻14.39倍，是最轻的气体2 2、氢的基本性质、氢的基本性质17b) 液态氢氢作为燃料或作为能量载体时，液氢是其较好的使用和储存方式之一。

因此液氢的生产是氢能开发应用的重要环节之一1898年,英国人杜瓦用多孔塞膨胀法（节流膨胀）在33K低温下将氢液化（状态与液态水十分相似）次年他又使氢固化成功，他在实验中实际已达到了14K的低温2 2、氢的基本性质、氢的基本性质18氢在低温下还可以制成氢浆氢浆是一种固氢和液氢共存的均匀混合物用氢浆作为燃料要比采用纯液氢更有好处:①如果氢浆中含有60%的固氢，则其浆液密度要比正常沸点下纯液氢的密度高11.5%，这样有利于提高燃料的能量密度;②氢浆的热容是要比液氢增加很多，由此可以减少储存中的挥发损失，容易满足制冷的要求;③向液氢中加入胶凝剂，则成为凝胶液氢它依然处于流动状态，但具有更高的密度 和液氢相比，胶氢得到更为广泛的应用2 2、氢的基本性质、氢的基本性质19胶氢的优点是：①安全性增加液氢凝胶化以后粘度增加1.5-3.7倍，降低了泄漏带来的危险；②减少蒸发损失液氢凝胶化以后，蒸发速率仅为液氢的25％；③增大密度液氢中添加35％甲烷，密度可提高50％左右；液氢中添加70％(摩尔比)铝粉，密度可提高3倍④减少液面晃动液氢凝胶化以后，液面晃动减少了20％一30％，有助于长期储存，并可简化储罐结构。

⑤提高比冲提高发射能力2 2、氢的基本性质、氢的基本性质20c) 固态氢氢在极高的压力(2～3)×105Mpa或进一步冷却液氢至T99%)、所制得的氢的纯度一般均在99%以上工艺过程简单，无污染，其效率一般在75％～85％目前使用电解水制造的氢气主要用于工业生产中要求纯度高、用量不多的工业企业电解水制氢电解水制氢53u电解水制氢基本原理电解水制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质， 一般：蒸馏水电导率： 1×10­5～1×10­6/Ω·cm纯水电导率： 1×10­6～1×10­7/Ω·cm所以需要加入电解质（一般为硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等强酸强碱），以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为 氢气和氧气，而电解质自身不发生任何变化1 1、电解水制氢、电解水制氢54电解水制氢过程示意图在电解质水溶液中插入两支电极，电极上施加恒定电 压，当电压超过水的分解电压时，则在环路中出现电 流，并在阳极上析出氧，阴极上析氢，体积比为1:2电解水制氢电解水制氢55若电解质为碱性，则发上如下反应：（阴极反应）（阳极反应）（总反应）若电解质为酸性，则发生如下反应：（阴极反应）（阳极反应）（总反应）电解水制氢电解水制氢56式中qr=T·ΔS.氢中所含的化学能可以用两种不同的数值来表达，即氢的高热值和氢的低热值两者之差为水的汽化潜热。

uu电解水制氢效率电解水制氢效率电解氢中所储存的化学能ΔH2对消耗于该单位制氢量的总电功Eg之比，即电解水制氢效率一般可表示为每单位重量（或摩尔）因为通常所讨论的是从液态水中电解制氢，故取其高热值286kJ/mol如果今后讨论的是从高温蒸汽中电解制氢，则取当地工作温度和工作压力下氢的低热值电解水制氢电解水制氢57u电解水制氢装置Ø目前，工业上广泛使用操作温度为70～80℃的碱性水溶液水电解制氢装置Ø操作温度为120～150℃的碱性水溶液电解装置目前正处于研制阶段Ø高性能的固体聚合物电解质(SPE)水电解装置在工业上尚未大量使用在1000℃温度下操作的固体电解质高温水蒸气电解，目前尚处于研制阶段电解水制氢电解水制氢581­电解槽；2­氢侧分离器；3­氢 侧洗涤器；4­氢侧压力调节器 ；5­平衡箱；6­冷却器；7­储氢 罐；8­氧侧分离器；9­氧侧洗 涤器；10­氧侧压力调节器；11 氧侧水封槽；12­碱液箱；13­ 碱液过滤器；14­挡火器电解水制氢电解水制氢① 氢侧系统实线部分为氢侧系统由电解槽1各间隔电解出来的氢气汇集于总管，经 过氢分离器2、洗涤器3、压力调节器4、平衡箱5，再经两级冷却器6后，存入储氢罐备用。

② 氧侧系统点划线部分为氧侧系统由电解槽1各间隔分解出来的氧气汇集于总管， 经过氧侧分离器8、洗涤器9、压力调节器l0和水封槽11后，排放大气或存罐备用591­电解槽；2­氢侧分离器；3­氢 侧洗涤器；4­氢侧压力调节器 ；5­平衡箱；6­冷却器；7­储氢 罐；8­氧侧分离器；9。