《新能源發(fā)電技術(shù)第2版》 課件 第8、9章 波浪能、氫能與燃料電池

第8講波浪能和波浪能發(fā)電§8波浪能和波浪發(fā)電

§8.1波浪的成因和類型海水在風(fēng)等外力作用下沿水平方向的周期性運動，形成波浪，俗稱海浪。波浪的能量來自于風(fēng)和海面的相互作用，是風(fēng)的一部分能量傳給了海水，變成波浪的動能和勢能。風(fēng)傳遞給海水的能量取決于風(fēng)速、風(fēng)與海水作用時間及作用路程，表現(xiàn)為不同速度、不同“大小”的波浪。海浪的波高從幾毫米到幾十米，

波長從幾毫米到數(shù)千公里，

周期從零點幾秒到幾小時以上。波浪的分類（按形成和發(fā)展的過程）風(fēng)浪，指的是在風(fēng)的直接吹拂作用下產(chǎn)生的水面波動。 由于海浪會向遠處傳播，往往由風(fēng)引起的波浪在靠近其形成的區(qū)域才被稱為風(fēng)浪。風(fēng)浪可從其形成區(qū)域傳播開去，出現(xiàn)在距離很遠的海面。這種不在有風(fēng)海域的波浪稱為涌浪。涌浪包括傳到無風(fēng)海區(qū)的風(fēng)浪和海風(fēng)停息或風(fēng)速、風(fēng)向突變后的存留下來的風(fēng)浪余波。外海的風(fēng)浪或涌浪傳到海岸附近，受水深和地形作用會改變波動性質(zhì)，出現(xiàn)折射、波面破碎和倒卷，這就是近岸浪。海浪的等級（根據(jù)波高大?。┩ǔL(fēng)浪分為10個等級，將涌浪分為5個等級：0級無浪、無涌，海面水平如鏡；5級大浪、6級巨浪，對應(yīng)4級大涌，波高2～6米；7級狂浪、8級狂濤、9級怒濤，對應(yīng)5級巨涌，波高6.1米到10多米。水面上的大小波浪交替，有規(guī)律地順風(fēng)滾動前進；水面下的波浪隨風(fēng)力不同做直徑不同、轉(zhuǎn)速不同的圓周或橢圓運動，如圖8.1所示。海浪的運動海岸附近的波浪折射§8.2

波浪能資源的分布和特點波浪的前進，產(chǎn)生動能，波浪的起伏產(chǎn)生勢能。形成波浪的原動力主要來自于風(fēng)對海水的壓力以及其與海面的摩擦力，波浪能是海洋吸收了風(fēng)能而形成的，其根本來源是太陽能（風(fēng)能也來自于太陽能）。波浪的能量與波浪的高度、波浪的運動周期以及迎波面的寬度等多種因素有關(guān)。因此，波浪能是各種海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種?！?.2.1全球波浪能資源根據(jù)聯(lián)合國教科文組織1981年出版物的估計數(shù)字，全世界的波浪能的理論蘊藏量為30億千瓦。估計技術(shù)上允許利用的波浪能約占1/3，即10億千瓦。歐洲和美國的西部海岸、新西蘭和日本的海岸均為利用波浪能有利地區(qū)。圖8.3波浪能年平均功率密度的全球分布圖（圖中的數(shù)字表示離岸深水處的波浪能平均值（kW/m）§8.2.2我國波浪能資源我國海岸線長，海域遼闊。根據(jù)海洋觀測資料統(tǒng)計，我國沿海海域年平均波高在2~3m，波浪周期平均6~9秒，波浪功率可達17~39kW/m，渤海灣更高達42kW/m。據(jù)《中國新能源與可再生能源1999白皮書》統(tǒng)計結(jié)果，進入岸邊的波浪能理論平均功率為1285萬千瓦。90%以上分布在經(jīng)濟發(fā)達而常規(guī)能源缺乏的東南沿海，主要是浙江、福建和廣東沿海，以及臺灣省沿岸。據(jù)波浪能能流密度和開發(fā)利用的自然環(huán)境條件，首選浙江、福建沿岸，應(yīng)為重點開發(fā)利用地區(qū)，其次是廣東東部、長江口和山東半島南岸中斷。也可以選擇條件較好的地區(qū)，如嵊山島、南麂島、大戢山、云澳、表角、遮浪等處。省份臺灣浙江廣東福建山東海南江蘇遼寧其他數(shù)量/萬kw429.1205.317416616156.329.125.538.1占比/%33.41613.512.912.54.42.31.22.9

[微軟用戶1]新表格我國波浪能資源分布表§8.2.3波浪能的優(yōu)點在海洋能中，波浪能除可循環(huán)再生以外，還有以下優(yōu)點：1）以機械能形式存在，在各種海洋能中品位最高；2）在海洋能中能流密度最大，在太平洋、大西洋東海岸緯度40～60°區(qū)域，波浪能可達到30～70kW/m，某些地方達到100kW/m；3）海浪無處不在，波浪能在海洋中分布最廣。4）波浪能可通過較小的裝置實現(xiàn)其利用；5）波浪能可提供可觀的廉價能量?！?.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪發(fā)電是波浪能利用的主要方式。波浪發(fā)電，一般是通過波浪能轉(zhuǎn)換裝置，先把波浪能轉(zhuǎn)換為機械能，再最終轉(zhuǎn)換成電能。波浪上下起伏或左右搖擺，能夠直接或間接帶動水輪機或空氣渦輪機轉(zhuǎn)動……目前國際上應(yīng)用的各種波浪能發(fā)電裝置都要經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換?！?.3波浪發(fā)電裝置的基本構(gòu)成波浪能利用的關(guān)鍵是波浪能轉(zhuǎn)換裝置，通常經(jīng)三級轉(zhuǎn)換：1）波浪能采集系統(tǒng)(即受波體)，捕獲波浪的能量；2）機械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(中間轉(zhuǎn)換裝置)，把捕獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機械能（一般是某種工質(zhì)如空氣或水的壓力能，或者水的重力勢能）；3）發(fā)電系統(tǒng)，與常規(guī)發(fā)電裝置類似，用空氣渦輪機或水輪機等設(shè)備將機械能傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能?！?.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式波浪發(fā)電裝置的種類很多……但波浪能的轉(zhuǎn)換方式，大體上可分為四類：1）機械傳統(tǒng)式2）空氣渦輪式3）液壓式4）蓄能水庫式§8.4波浪能的轉(zhuǎn)換方式（1）機械傳動式（2）空氣渦輪式這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，而且以空氣為工質(zhì)，沒有液壓油泄露的問題。（3）液壓式液壓式指通過某種泵液裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為液體（油或海水）的壓能或位能，再由油壓馬達或水輪機驅(qū)動發(fā)電機。波浪運動使海面浮體升沉或水平移動，從而產(chǎn)生工作流體的動壓力和靜壓力，驅(qū)動油壓泵工作，將波浪能轉(zhuǎn)換為油的壓能或產(chǎn)生高壓液體流，經(jīng)油壓系統(tǒng)輸送，再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也較高。但由于液體的不可壓縮性，當與波浪相互作用時，液壓機構(gòu)能獲得很高的壓強，轉(zhuǎn)換效率也明顯高。（4）蓄能水庫式蓄能水庫式，也叫收縮斜坡聚焦波道式。

其實就是借助上漲的海水制造水位差，然后實現(xiàn)水輪機發(fā)電，類似潮汐發(fā)電。這類裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，主要是一些水工建筑，然后是傳統(tǒng)的水輪機房。而且由于有水庫儲能，可實現(xiàn)較穩(wěn)定和便于調(diào)控的電能輸出，是迄今最成功的波浪能發(fā)電裝置之一。但一般獲得的水位不高，因此效率也不高，而且對地形條件依賴性強，應(yīng)用受到局限。根據(jù)系留狀態(tài)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為兩大類：（1）固定式（2）漂浮式。第一代裝置，是最初在岸邊發(fā)展的早期裝置，第二代裝置，是后來近岸或海床錨碇式的，第三代裝置，創(chuàng)新的離岸波浪能轉(zhuǎn)換裝置。§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.5波浪能裝置的安裝模式各種波浪能轉(zhuǎn)換裝置，往往都需要一個主梁或主軸，即一種居中的、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，系錨或固定在海床或海灘。根據(jù)主梁與波浪運動方向的幾何關(guān)系，波浪能轉(zhuǎn)換裝置可分為三種不同的模式：（1）終結(jié)型模式……（2）減緩型模式……（3）點吸收模式……§8.5波浪能裝置的安裝模式§8.6典型的波浪能發(fā)電裝置（1）振蕩水柱式（OWC）

發(fā)展最早、研究最多也是目前最成熟的波浪能利用裝置。Wells渦輪機1976年，英國的威爾斯（Wells）發(fā)明了能在正反向交變氣流作用下始終單向旋轉(zhuǎn)做功的氣輪機。這是一種具有對稱翼型葉片的氣輪機。葉片截面與傳統(tǒng)汽輪機葉片或螺旋槳葉片不同，而是呈對稱形狀。當波浪起伏往返運動而使氣室中的氣流來回流動時，這種對稱翼葉片可在相反方向氣流作用下仍然保持旋轉(zhuǎn)方向不變，從而特別適合于方向反復(fù)變化的氣流運動。具有這種葉片的氣輪機已被廣泛采用。水注上升和下降時，經(jīng)過氣輪機的氣流方向是相反的，氣輪機的旋轉(zhuǎn)方向如果來回變化，發(fā)電也時正時負……（2）振蕩浮子式（Buoy）圖8.19的Buoy波浪能轉(zhuǎn)換裝置，為瑞典IPSInterprojectServiceAB發(fā)明、美國AquaEnergy公司開發(fā)。包含浮體及連結(jié)其上的加速管。加速管中間的工作圓筒(內(nèi)有工作活塞)，上下兩邊開口，可使水暢流無阻。能量吸收裝置是一對具彈性的軟管泵，受工作活塞操控。隨著波浪運動，浮子上下起伏使軟管伸張及松弛，可以壓迫海水經(jīng)止逆閥到中心的渦輪機及發(fā)電單元。（3）點頭鴨式（Duck）1983年愛丁堡大學(xué)StephenSalter教授在英國波浪能研究計劃資助下開發(fā)出Salter’sDuck。鴨子的“胸脯”對著海浪傳播的方向，隨著海浪的波動，像不倒翁一樣不停地擺動。搖擺機構(gòu)帶動內(nèi)部的凸輪/鉸鏈機構(gòu)，改變工作液體的壓力，從而帶動工作泵，推動發(fā)電機發(fā)電。

（3）點頭鴨式（Duck）為提高能量的吸收效率，“點頭鴨”的運動應(yīng)與水粒子的運動軌跡相一致，而在長波中的效率可以通過改變節(jié)點控制脊骨的彎曲度來實現(xiàn)。

它可以同時將波浪的動能和勢能轉(zhuǎn)換，理論上為所有波能轉(zhuǎn)換器中最有效的一種，效率達到90%以上。往往要在狹長的浮動主梁骨架上，并排（有一定的間隔）放置多個“鴨子”，甚至可以延伸到幾千米長。“點頭鴨”主要作為終結(jié)型裝置，主梁的方向調(diào)整為沿著波前的方向。（4）海蛇式（Pelamis）圖8.11

為蘇格蘭OceanPowerDelivery公司開發(fā)的Pelamis（又名海蛇號）波浪發(fā)電裝置。由一系列圓柱形鋼殼結(jié)構(gòu)單元鉸接而成，外型類似火車。

（4）海蛇式（Pelamis）當波浪起浮帶動整條裝置時就會起動鉸接點，其內(nèi)部的液壓圓筒的泵油會起動液壓馬達經(jīng)過一個能量平滑系統(tǒng)。

在每個鉸接點產(chǎn)生的電力藉由一共同的海底纜線傳輸?shù)桨渡?。裝置長度約為130米，直徑達3.5米。

（5）擺式（Pendulum）日本室蘭工業(yè)大學(xué)于1983年在北海道室蘭附近的內(nèi)浦灣建造了一座推擺式波浪能電站，其工作原理如圖8.12所示。5千瓦的試驗電站，擺寬為2米，最大擺角±30度。波高1.5米、周期為4秒時正常輸出約為5千瓦，總效率約為40%。

這是日本的波浪能電站中效率較高的一個。

圖8.13為以色列S.D.EEnergy公司開發(fā)的HydraulicPlatform，通過浮板的擺動將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓產(chǎn)生電力。（5）擺式（Pendulum）（6）收縮坡道式（TAPCHAN）TAPeredCHANnel意思是收縮坡道，有的文獻稱為楔形流道，即逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽。在電站入口處設(shè)置喇叭形聚波器和逐漸變窄的楔形導(dǎo)槽，當波浪進入寬闊一端向里傳播時，波高不斷地被放大，直至波峰溢過邊墻，轉(zhuǎn)換成勢能。水流從楔形流道上端流出，進入一個水庫，然后經(jīng)過水輪機返回大海。挪威波能公司（NorwaveA.S.）建造了一種SeawaveSlot-Cone發(fā)電裝置，其核心技術(shù)與TAPCHAN類似。（7）阿基米德海浪發(fā)電裝置（ArchimedesWaveswing）這是一種位于水下的漂浮物，如圖8.16所示，由英國AWS海洋能源公司設(shè)計。（8）CETO漂浮系統(tǒng)2008年，英國TridentEnergy公司在澳大利亞西部弗里曼特爾附近地區(qū)安裝了一種漂浮系統(tǒng)，如圖8.17所示。漂浮物可在海浪作用下向下移動，進而帶動海水穿過鋪設(shè)于海床上的管道送上到岸邊。岸上的水輪機不受海水的腐蝕和破壞。迄今表現(xiàn)相當不錯，第一個商業(yè)發(fā)電廠于2009年部署。據(jù)稱一個面積5公頃的漂浮物陣列可產(chǎn)生50兆瓦的功率。8.7

波浪發(fā)電的發(fā)展1799年，一對法國父子申請了世界上第一個關(guān)于波浪能發(fā)電裝置的專利。1964年，日本海軍士官益田善雄研制成世界上第一個海浪發(fā)電裝置——航標燈，并于1965年率先將該波浪發(fā)電裝置商品化。中國科學(xué)院廣州能源研究所于1989年在廣東珠海建成了第一座示范實驗波力電站，1996年又建成了一座新的波力實驗電站。我國首座波力獨立發(fā)電系統(tǒng)汕尾100千瓦岸式波力電站于2005年，第一次實海況試驗獲得成功。1999年，100kW擺式波浪能電站在青島即墨大官島試運行成功。近年來，我國積極推進新能源開發(fā)利用。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，我國將在山東、海南、廣東各建1座1000千瓦級的岸式波浪發(fā)電站。本課程配套教材：《新能源發(fā)電技術(shù)》朱永強趙紅月，

機械工業(yè)出版社“十三五”國家重點出版物出版規(guī)劃項目卓越工程能力培養(yǎng)與工程教育專業(yè)認證系列規(guī)劃教材第9講氫能與燃料電池§9

氫能與燃料電池關(guān)注的問題怎樣才能從各種化合物中制取氫氣？氫氣應(yīng)該如何保存？燃料電池是怎樣工作的？有哪些類型？各自有什么特點？燃料電池可以在哪些場合應(yīng)用？海面為何會突然燒起大火？§9.1氫和氫能概述§9.1.1氫和氫能簡介氫在元素周期表中排在首位，是已知最輕的元素。標準狀態(tài)下，氫氣為無色無味的氣體，密度是空氣的1/14.5。1766年英國的亨利·卡文迪什發(fā)表《關(guān)于人造空氣的實驗》，詳述了用鋅、鐵、錫與稀酸反應(yīng)制備氫氣的方法和氫氣的性質(zhì)，成為公認的發(fā)現(xiàn)氫的人。1777年，法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫通過實驗證明水是由氫和氧組成的，把氫稱為“水素”；1785年拉瓦錫根據(jù)這種氣體能夠與氧氣反應(yīng)生成水的性質(zhì)，為其取名為“Hydrogen”，其中Hydro為水，gen即產(chǎn)生。氫是宇宙中最豐富的元素(約占總質(zhì)量的3/4)，在地球上的含量排第三。除了空氣中的少量氫氣，絕大部分氫元素都以化合物形態(tài)存在，雖然甲烷、氨和各種烴類中有氫，但主要存在水中。地球上的水約有14億km3，水中約含11%的氫。若把全球水中的氫都提煉出來，約有15億億(1.5×1017)噸，所產(chǎn)生的熱量是地球上化石燃料的9000倍?！?.1.1氫和氫能簡介§9.1.2氫能及其利用方式氫能主要是指氫元素燃燒、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或核聚變時釋放的能量。利用氫能的方式很多，包括：－直接作為燃料提供熱能或在熱力發(fā)動機中做功；－制造燃料電池，在催化劑作用下進行化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)電能；－利用氫的熱核反應(yīng)釋放出核能；等等。在所有的氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍以上，是能源工業(yè)中極好的傳熱載體。此外，還能轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。（1）氫燃料氫的含熱量很高，燃燒時釋放熱量>140MJ/kg，超過任何有機燃料，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫氣燃燒性能好，點燃快，燃點高，混入4%~74%的空氣時仍能穩(wěn)定燃燒。氫是最清潔的燃料，燃燒后只生成水和微量的氮化氫，而沒有其它任何污染環(huán)境的排放物。氮化氫經(jīng)適當處理后也不污染環(huán)境，生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。到21世紀中葉，氫有可能取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一?！?.1.2氫能及其利用方式（2）氫的核聚變氫的核能利用，理論基礎(chǔ)是愛因斯坦的相對論。發(fā)生質(zhì)量虧損時釋放出的能量為E=mc2。4個氫原子聚變成一個氦原子，質(zhì)量會減少0.711%。那么，1克氫聚變?yōu)楹め尫诺哪芰繛?.39×108kJ，相當于23噸標準煤燃燒產(chǎn)生的熱量?？梢?，氫的核聚變能量是十分巨大的。核聚變產(chǎn)生的能量比鈾原子核裂變釋放出來的能量大若干倍。而且，氫的核聚變過程中沒有放射性，對環(huán)境沒有任何污染。一旦受控的氫核聚變獲得成功，人類的能源與環(huán)境問題將得到根本的解決?！?.1.2氫能及其利用方式（3）氫燃料電池參見后面燃料電池的內(nèi)容。除了作燃料以外，長期以來，氫一直是石油、化工、化肥和冶金工業(yè)的重要原料。氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)并且能再生利用，同時對環(huán)境友好，基本上沒有環(huán)境污染，具有無可比擬的潛在開發(fā)價值?！?.1.2氫能及其利用方式20世紀初，比空氣輕很多的氫氣被用于充裝飛行物。由于液氫的優(yōu)良燃燒特性和能量密度，廣泛用于衛(wèi)星和航天器的火箭發(fā)動機中?！?.1.3氫能的應(yīng)用20世紀60年代以后，氫－氧燃料電池發(fā)展起來，又給氫能的利用開辟了一個新的領(lǐng)域。近年來，美國、歐洲、日本研制成功的以液氫為原料的燃料電池電動汽車，已進入了商業(yè)化生產(chǎn)階段。如今，氫能在化工、化肥、塑料和冶金行業(yè)中，也作為一種重要的原料而獲得廣泛應(yīng)用?！?.1.3氫能的應(yīng)用氫冶金項目氫燃料電池電動汽車§9.2氫的制取氫能，通常指游離的分子氫H2所具有的能量。地球上的氫元素相當豐富，但游離態(tài)的很稀少。大氣中的H2只有兩百萬分之一的水平。氫通常以化合物形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。從這些物質(zhì)中獲取氫，需要消耗大量的能量。全世界每年生產(chǎn)的氫氣超過5萬億立方米。（1）煤為原料制氫煤制氫的本質(zhì)是用碳置換水中的氫，生成H2和CO2。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是C+2H2O→CO2+2H2方法主要有兩種：一是煤的焦化(高溫干餾)，隔絕空氣以900~1000℃高溫制取焦碳，副產(chǎn)品為焦爐煤氣。每噸煤可制得煤氣300~350m3，也是制取氫氣的原料。二是煤的氣化，在高溫下與水蒸汽或氧氣(空氣)等發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。氫氣含量與氣化方法有關(guān)。煤的氣化制氫是一種具有中國特色的制氫方法。通常做法是將煤放到專門的設(shè)備中進行反應(yīng)，也可以在地下進行。§9.2.1化石燃料制氫（2）天然氣制氫天然氣的主要成分甲烷含有氫元素，制氫方式主要有兩種。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫方法曾經(jīng)比較普遍，其化學(xué)反應(yīng)為CH4+2H2O→4H2+CO2這種傳統(tǒng)制氫過程伴有大量的二氧化碳排放。每轉(zhuǎn)化1噸甲烷，要向大氣中排放2.75噸二氧化碳。甲烷(催化)高溫裂解制氫技術(shù)，起于20世紀中葉，制取高純H2的同時，還能得到更有經(jīng)濟價值、易儲存的固體碳，而不向大氣排放CO2。該方法制得的氫完全來自于甲烷本身所含的氫元素，技術(shù)較簡單，但是制造成本仍然不低。§9.2.1化石燃料制氫（3）重油部分氧化制氫重油是煉油過程中的殘余物，部分氧化過程中碳氫化合物與氧氣、水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。要在一定的壓力下進行，對于某些原料及過程可能還需要采用催化劑。催化部分氧化通常以甲烷或石腦油為主的低碳烴為原料，而非催化部分氧化則以重油為原料，溫度1150～1315℃。重油部分氧化制得的氫主要來自水蒸氣?！?.2.1化石燃料制氫化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境不利。氫氣中的90%是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的。在我國由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高。§9.2.1化石燃料制氫氫大多存在水中，將水分解制取氫氣是最直接的方式。§9.2.2水分解制氫趣聞：神秘的海面大火1977.11.9，印度馬得里斯海灣附近海域，颶風(fēng)驟起，激起滔天巨浪。忽然海面上燃起火來，形成了一片通天火海，照亮周圍幾十里，那場面是相當壯觀。人們無不驚詫：周圍并未見油船經(jīng)過，那大火是怎么著起來的，又怎么能在海面持續(xù)20多天？科學(xué)家分析，應(yīng)是200km/h的颶風(fēng)與海面劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生的巨大能量，把水中的氫和氧分離，在摩擦發(fā)熱和電荷作用下，易燃的氫氣在助燃的氧氣中劇烈地燃燒起來。據(jù)推算，這場大火的能量相當200顆氫彈爆炸釋放的能量。1993.8.25晚，渤海深處的大欽島西北海域，也出現(xiàn)過類似“?；稹爆F(xiàn)象，持續(xù)了大約40分鐘。（1）電解水制氫水的電解過程就是在導(dǎo)電的水溶液中通入直流電，將水分解成H2

和O2。水的理論分解電壓為1.23V，其反應(yīng)式為：水電解操作簡便，制得的氫氣純度高，但需消耗電能。理想狀態(tài)，制取1kg氫大約消耗33度電。實際耗電量要大些。常壓下電解制氫的能量效率一般在70%左右。為提高效率，通常在3.0~5.0MPa的壓力下進行。效率達到75~85%時，生產(chǎn)1m3氫氣的耗電量為4~5度。§9.2.2水分解制氫（2）高溫水蒸氣分解制氫水直接分解需要2227℃以上的溫度，工程實現(xiàn)難度很大。為降低分解溫度，可采用多步驟熱化學(xué)反應(yīng)制造氫氣，使反應(yīng)溫度降低到1000℃以下。利用化學(xué)試劑在一組熱循環(huán)反應(yīng)中互為反應(yīng)物和產(chǎn)物，循環(huán)使用，最終只有水分解為氫和氧。其化學(xué)反應(yīng)通式為X為中間媒體，僅參與反應(yīng)，并不消耗，但是因其反應(yīng)呈氣態(tài)，很易和氧氣發(fā)生反應(yīng)而重新生成氧化物。因此，需將它們從產(chǎn)物中分離出來。一般采用快速冷卻法，使其冷卻成固體。整個過程僅僅消耗水和一定的熱量?！?.2.2水分解制氫（3）等離子體制造氫氣過程用電場電弧能將水加熱到5000℃，分解成H、H2、O、O2、OH和水，其中H、H2的含量可達到50%。要使等離子體中氫組分含量穩(wěn)定，就必須進行淬火，使氫不再和氧結(jié)合。該過程能耗很高，因而制氫成本很高?！?.2.2水分解制氫我國的氫氣生產(chǎn)，除了用化石燃料以外，其余的主要都通過水電解法生產(chǎn)。水電解制造氫氣不產(chǎn)生溫室氣體，但是生產(chǎn)成本較高。主要適合水電、風(fēng)能、地熱能、潮汐能以及核能比較豐富的地區(qū)。（1）生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)原料壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進行反應(yīng)制得含氫的混合燃料氣。其中的碳氫化合物再與水蒸氣發(fā)生催化重整反應(yīng)，生成H2

和CO2（參見天然氣制氫）。生物質(zhì)超臨界水氣化是正在研究的一種制氫新技術(shù)。生物質(zhì)在超臨界水中進行催化氣化，氣化率可達100%，氣體產(chǎn)物中氫的體積含量可達50%，反應(yīng)不生成焦油、木炭等副產(chǎn)品，無二次污染，因此有很好的發(fā)展前景。生物制氫是指所有利用生物產(chǎn)生氫氣的方法，包括生物質(zhì)氣化制氫和微生物制氫等不同的技術(shù)手段?！?.2.3生物制氫（2）微生物制氫是在常溫常壓下利用微生物進行酶催化反應(yīng)制得氫氣。用于制氫的微生物有兩大類：－光合細菌或藻類，

在光照作用下使有機酸分解出H2和CO2；－厭氧菌，利用碳水化合物及蛋白質(zhì)等，

發(fā)酵產(chǎn)生H2、CO2和有機酸。江河湖海中的某些藻類、細菌，像一個生物反應(yīng)器，用水做原料，在太陽光的照射下連續(xù)地釋放出氫氣?！?.2.3生物制氫（1）間接制氫太陽能間接制氫法主要包括太陽能發(fā)電和電解水制氫。目前已無技術(shù)困難，需要大幅度提高系統(tǒng)效率和降低成本。太陽能制氫是未來規(guī)?；茪浞椒ㄖ凶罹哂形η易罹攥F(xiàn)實意義的一條途徑?！?.2.4太陽能制氫（2）直接制氫太陽能直接制氫法有兩類：熱分解法，用太陽能的高熱量直接裂解水，得到氫和氧。不過須將水加熱至3000℃以上，反應(yīng)才有實際應(yīng)用的可能，困難較大。光分解法，光量子可使水和其他含氫化合物分子中氫鍵斷裂，制氫途徑主要有光催化法和光電解法等。－光催化過程是指含有催化劑的反應(yīng)體系，在光照下催化劑促使水分解制得氫氣，效率很低，一般不超過10%。－光電解制氫，利用半導(dǎo)體電極制成太陽能光電化學(xué)電池，以水為原料，在太陽光照下制造氫氣。§9.2.4太陽能制氫§9.2.5制氫方式總結(jié)以石油、天然氣和煤為主要原料制取氫氣的比例約為90%。在我國，由化石燃料生產(chǎn)的氫氣比例更高，其余主要是通過水電解產(chǎn)生的?！?.3氫的儲存氫能的儲存很關(guān)鍵，是目前氫能開發(fā)的主要技術(shù)障礙。標準狀態(tài)下氫的密度是空氣的1/14.5，水的萬分之一。在-252.7℃的低溫下可變?yōu)橐后w，密度也只有70kg/m3，相當于水的1/15。氫氣很難高密度儲存。

而且，氫還是易燃、易爆的高能燃料。安全性當然是第一重要的要求，不過因為儲氫系統(tǒng)在設(shè)計時都會充分考慮安全性，并且在使用中能夠滿足安全要求，人們反而不經(jīng)常單獨提出了。單位質(zhì)量儲氫密度，即儲氫質(zhì)量與整個儲氫單元（含容器、存儲介質(zhì)材料、閥及氫氣等）的質(zhì)量之比，是衡量氫氣儲運技術(shù)是否先進的主要指標。例如，一個100kg的鋼瓶（含閥及內(nèi)部氫氣質(zhì)量）儲有1kg的氫氣，單位質(zhì)量儲氫密度為1%?！?.3.1對儲氫系統(tǒng)的要求儲氫設(shè)備使用的方便性也是很重要的要求，例如充放氫氣的時間、使用的環(huán)境溫度等?？梢韵裉烊粴庖粯佑镁薮蟮乃芊鈨薜蛪簝Υ?，不過因氫氣密度太低，只適合大規(guī)模儲存氣體時使用，應(yīng)用不多。氣態(tài)高壓儲氫是最普通和最直接的儲氫方式，一般將氫氣壓縮到15~40MPa高壓，裝入鋼瓶中儲存和運輸。目前，我國常用40升鋼瓶以15MPa高壓儲存氫氣。只能儲存6m3標準氫氣，重約1斤，還不到高壓鋼瓶重量的1%?！?.3.2氫氣的儲存新型復(fù)合高壓氫氣瓶(耐壓35MPa)儲氫密度可達2%。內(nèi)胎為鋁合金，外繞浸樹脂的高強度炭纖維。目前75MPa高壓儲氫瓶已上市，儲氫密度可達3%以上。正研制100MPa的。我國現(xiàn)在可以自行制造35MPa的高壓儲氫容器。高壓儲氫動態(tài)響應(yīng)最好，能瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料供應(yīng)；也能瞬間關(guān)閉閥門，停止供氣。實際使用最廣泛。

不過高壓帶來安全隱患。氫氣在-252.7℃低溫下可以變?yōu)橐后w，體積大大縮小。液體的氫可以儲存在絕熱的低溫容器中。液氫的單位體積含能量很高，常壓下密度為氫氣的845倍，體積能量密度比高壓氣態(tài)儲存高好幾倍。氫的沸點很低，氣化潛熱小，容器內(nèi)外存在巨大溫差，稍有熱量從外界滲入容器，就可能迅速沸騰氣化。液氫的理論體積密度只有70kg/m3，約為水的1/15。考慮容器和附件的體積，液氫系統(tǒng)的儲氫密度還不到40kg/m3。液氫儲運的最大優(yōu)點是質(zhì)量儲氫密度高，目前可做到5%以上，存在的問題是液氫蒸發(fā)損失與成本問題?！?.3.3液氫的儲存大的液氫儲罐存在熱分層問題。儲罐底部液體因承受壓力而沸點略高，上部由于少量揮發(fā)而始終保持極低溫度。靜置后，液體形成下熱上冷的兩層，顯然是不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動就會翻動。如果略熱而蒸氣壓較高的底層翻到上部，就會發(fā)生液氫爆沸，產(chǎn)生氫氣，體積膨脹，使儲罐爆破。因此，大的儲罐都備有緩慢的攪拌裝置以阻止熱分層?！?.3.3液氫的儲存液氫儲罐的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，一般如圖，最理想的形狀是球形?！?.3.3液氫的儲存某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，能大量“吸收”氫氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物，氫就以固體形式存儲起來。需要用氫時，可將這些金屬氫化物加熱，使其分解，將儲存在其中的氫釋放出來。能“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金或氫化金屬。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有鋰（Li）、鎂（Mg）和鈦（Ti）合金。金屬氫化物的儲氫容量較大，相同溫度、壓力，體積儲氫密度是氫氣的1000倍，與液氫相當，不過質(zhì)量儲氫密度低。金屬氫化物的安全性很好，遇槍擊也不爆炸。由于儲存容量大、儲運安全方便等優(yōu)點，金屬氫化物儲氫可能最有發(fā)展前景。§9.3.4固體金屬氫化物儲存（1）有機物儲氫已成為一項有發(fā)展前景的儲氫技術(shù)。有機液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯，與氫反應(yīng)生成環(huán)己烷或甲基環(huán)己烷（理論貯氫量為7.19%和6.18%)，在0.1MPa、室溫下呈液態(tài)，通過催化脫氫反應(yīng)又可產(chǎn)氫以供使用。此方式有儲氫量大、能量密度高、儲存設(shè)備簡單等特點，而且還能多次循環(huán)利用，壽命長達20年。不過這種儲氫方式加氫時放熱量大、脫氫時能耗高，脫放氫時的溫度在1000℃左右，在很大程度上限制了它的應(yīng)用?！?.3.5研究中的新儲氫方法（2）地下壓縮儲氫是一種長期大量儲氫的主要方法。儲氫規(guī)?？蛇_百萬立方米以上。多孔、水飽和的巖石是理想的防止氫氣擴散的介質(zhì)。但地下儲存的氫氣大約有50%左右會滯留在巖洞中，難于被釋放出來。德國、法國、英國都有相關(guān)的儲氫實踐?！?.3.5研究中的新儲氫方法（3）碳質(zhì)儲氫材料一直為人們所關(guān)注。主要是高比表面積活性炭等。特殊加工后的高比表面積活性炭，在2-4MPa和超低溫下，質(zhì)量儲氫密度可達5%-7%。低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)成為目前人們研究最多的碳質(zhì)儲氫材料，具有儲氫量大、釋氫速度快、常溫下釋氫等優(yōu)點，但工業(yè)化應(yīng)用還不成熟。此外，配位氫化物儲氫和水合物儲氫近年來也得到廣泛研究。§9.4燃料電池概述發(fā)現(xiàn)故事：1938年，德國的斯孔貝恩教授發(fā)現(xiàn)，在電解液里的氫氣和氧氣中分別插入一根鉑電極，兩個電極之間會產(chǎn)生電壓，這就是最早發(fā)現(xiàn)的燃料電池原理。1839年，英國的格羅夫在實驗室驗證燃料電池現(xiàn)象。將鉑金電極放入試管，在不同的試管里分別充滿氫氣和氧氣，再把多個這樣的裝置串聯(lián)起來將試管的開口浸入稀硫酸溶液，在兩端的電極之間形成了較高的電壓。1842年格羅夫制成第一個真正意義上的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔?。和化學(xué)電池不同，它工作時需要連續(xù)地從外部供給反應(yīng)物。燃料電池利用的水電解的逆反應(yīng)，即氫元素和氧元素合成水并輸出電能?！?.4.1燃料電池的基本原理燃料電池由陽極、陰極和夾在中間的電解質(zhì)及外接電路組成。工作時，一般向陽極供燃料(氫)，向陰極供氧化劑(氧)。氫在陽極分解成氫離子H+和電子e-。氫離子進入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極。陰極的氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達陰極的電子形成水。電子在外部電路從陽極向陰極移動的過程中形成電流，接在外部電路中的用電負載即可因此獲得電能。當源源不斷地從外部供給燃料和氧化劑時，燃料電池即可連續(xù)發(fā)電。最主要的燃料是氫。氧化劑是氧氣或空氣?！?.4.1燃料電池的基本原理§9.4.1燃料電池的基本原理氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下陽極： 陰極：

總反應(yīng)： 為加速電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池的電極上往往都有催化劑。催化劑一般做成多孔材料，以增大燃料、電解質(zhì)和電極之間的接觸截面。這種包含催化劑的多孔電極稱為氣體擴散電極，是燃料電池的關(guān)鍵部位。對于液態(tài)電解質(zhì)，需要有電解質(zhì)保持材料，即電解質(zhì)膜。作用是分隔氧化劑和還原劑，并同時傳導(dǎo)離子。固態(tài)電解質(zhì)直接以電解質(zhì)膜的形式出現(xiàn)。外電路包括集電器（極板）和負載。雙極板具有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體的作用?！?.4.1燃料電池的基本原理由一個陽極、一個陰極和相關(guān)的電解質(zhì)、燃料、空氣通路組成的最小電池單元稱為單體電池；多個單體電池重疊連接形成的整體，稱為電堆。實用的燃料電池均由電堆組成。燃料電池就像積木一樣，可以根據(jù)功率要求靈活組合，容量小到為手機供電、大到可與常規(guī)發(fā)電廠相提并論?！?.4.1燃料電池的基本原理燃料電池系統(tǒng)，除燃料電池本體(發(fā)電系統(tǒng))外，還有一些外圍裝置，用于燃料重整供應(yīng)、氧氣供應(yīng)、水管理、熱管理、逆變、控制、安全等?！?.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（1）燃料重整供應(yīng)系統(tǒng)，將外部供給的燃料轉(zhuǎn)化為以氫為主要成分的燃料。直接以氫為燃料，供應(yīng)系統(tǒng)比較簡單。（2）氧氣供給系統(tǒng)，作用是提供反應(yīng)所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣。§9.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成（3）水管理系統(tǒng)，可將陰極生成的水及時帶走，以免造成燃料電池失效。對于質(zhì)子交換膜燃料電池，質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進行傳導(dǎo)的，需要有水參與，而且水少了還會影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，進而影響電池的性能。（4）熱管理系統(tǒng)，作用是將電池產(chǎn)生的熱量帶走，避免因溫度過高而燒壞電解質(zhì)膜。外電路接通時，燃料電池會因內(nèi)電阻上的功耗而發(fā)熱（與輸出的發(fā)電量大體相當）。（5）直流－交流逆變系統(tǒng)（6）控制系統(tǒng)，控制燃料電池發(fā)電裝置啟動和停止、接通或斷開負載，往往還能實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)工況、傳輸數(shù)據(jù)。（7）安全系統(tǒng)，主要由氫氣探測器、數(shù)據(jù)處理器以及滅火設(shè)備構(gòu)成，實現(xiàn)防火、防爆等安全措施。上面所說的各個部分，是大容量燃料電池可能具有的結(jié)構(gòu)。不同類型、容量和適用場合，有些部分可能被簡化甚至取消。例如微型燃料電池就沒有獨立的控制和安全系統(tǒng)。手機和筆記本電腦的燃料電池，就不需要逆變裝置。§9.4.2燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成與干電池與蓄電池不同，燃料電池不是能量儲存裝置，而是能量轉(zhuǎn)化裝置?！枰粩喙?yīng)燃料和氧化劑，才能維持連續(xù)輸出，

供應(yīng)中斷，發(fā)電過程就結(jié)束?！梢赃B續(xù)地對自身供給燃料并不斷排出生成物，

只要供應(yīng)不斷，就可連續(xù)輸出電力。燃料電池具有很多獨特的優(yōu)點：－能量轉(zhuǎn)換效率高。－污染物排放少。－能量轉(zhuǎn)換主裝置無運動部件，設(shè)備可靠，噪音極小。－資源廣泛，建設(shè)靈活?！?.4.3燃料電池發(fā)電的特點(1)成本因素高成本是制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。燃料電池成本中占比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。其中主要涉及三個關(guān)鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質(zhì)膜和雙極板?！?.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(2)燃料來源傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學(xué)制氫和太陽光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應(yīng)用。從成本角度來看，在燃料電池推廣初期，應(yīng)以分散式制氫為主，可進一步控制成本，且使用便利。但隨著未來燃料電池規(guī)?；l(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢將會進一步突出。(3)配套設(shè)施燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設(shè)施的缺失，即加氫站的覆蓋率過小，而其高昂的建設(shè)成本也使得加氫站的建設(shè)只能作為試驗性經(jīng)營，還遠遠不足以滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣的要求。§9.4.4制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素(4)儲存與運輸當前氫氣主要以三種形態(tài)儲存和運輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內(nèi)，高壓罐儲氫仍是主要氫氣儲存運輸手段。但從長期來看，更需要具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長壽命和低成本的儲氫材料。因此，輕質(zhì)儲氫材料、有機液態(tài)儲氫材料等低壓或常壓儲氫材料將成為未來發(fā)展的重點?！?.5燃料電池的分類

電池類型堿性(AFC)磷酸型(PAFC)熔融碳酸鹽型(MCFC)固體電解質(zhì)型(SOFC)固體高分子型(PEFC/PEMFC)直接甲醇型(DMFC)工作溫度/℃60～80約100600～700800～1000約100約100電解質(zhì)KOH磷酸溶液熔融碳酸鹽固體氧化物全氟磺酸膜全氟磺酸膜反應(yīng)離子OH-H+O2-H+H+可用燃料純氫天然氣、甲醇天然氣、甲醇、煤天然氣、甲醇、煤氫、天然氣、甲醇甲醇適用領(lǐng)域移動電源分散電源分散電源分散電源移動電源、分散電源移動電源污染性—CO中毒無無CO中毒CO中毒§9.5燃料電池的類型（1）堿性燃料電池（AFC）以氫氧化鉀等堿性溶液為電解質(zhì)，以高純度氫氣為燃料，以純氧氣作為氧化劑，工作溫度為60~80℃。AFC是燃料電池中發(fā)展最早的一種。在所有的應(yīng)用領(lǐng)域中，AFC燃料電池都有競爭力。其低溫快速起動特性，在很多場合更具優(yōu)勢。但是由于需要純H2和O2作為燃料和氧化劑，氣化凈水和排水排熱系統(tǒng)龐大，限制了其應(yīng)用?！?.5燃料電池的類型（2）磷酸型燃料電池（PAFC）以磷酸水溶液為電解質(zhì)，以天然氣或甲醇等氣體的重整氣為燃料，以空氣為氧化劑，一般要用鉑金作催化劑。工作溫度200℃，發(fā)電效率30%~40%，用昂貴的白金作催化劑，燃料中CO易引起催化劑中毒，因此對燃料要求較高。對燃料氣和空氣中的CO2有耐受力，能適應(yīng)多種工作環(huán)境。1967年美國首先開發(fā)出PAFC。1970s中期，開始取代堿性燃料電池，成為燃料電池的主要形式之一?！?.5燃料電池的類型（3）熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）以碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸鈉等碳酸鹽為電解質(zhì)；以混有CO2的O2為氧化劑；可用天然氣、甲醇、煤等原料的重整氣(含H2和CO2)為燃料。電極采用鎳。陽極生成CO2而陰極消耗，電池中需要CO2

的循環(huán)系統(tǒng)。工作溫度為600～700℃，不需要采用貴金屬作為催化劑。工作過程中放出的高溫余熱可回收，發(fā)電效率45%~60%?；谏鲜鰞?yōu)點，MCFC具有較好的應(yīng)用前景。不過，高溫條件下電解質(zhì)的腐蝕性較強，對電池材料有嚴格要求；而且廢熱回收裝置又大又重，MCFC只適用于大功率發(fā)電廠。多年來，一直是世界各國燃料電池研究的重點。美國FuelCellEnergy公司的DFC3000（2.8MW）熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)電模塊已經(jīng)用于韓國京畿道綠色能源公園