氫能與燃料電池技術(shù) 課件 1-概述

氫能與燃料電池Hydrogeneconomy教材2《氫氣的儲(chǔ)存與運(yùn)輸》《氫與燃料電池技術(shù)》作者：吳朝玲，李永濤，李媛出版社：化學(xué)工業(yè)出版社出版日期：即將出版《氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)概論》《烴類(lèi)轉(zhuǎn)化制氫工藝技術(shù)》作者：山東氫谷新能源技術(shù)研究院出版社：機(jī)械工業(yè)出版社出版日期：2024作者：山東氫谷新能源技術(shù)研究院出版社：機(jī)械工業(yè)出版社出版日期：2024作者：張宗喜出版社：機(jī)械工業(yè)出版社出版日期：2024目錄氫的性質(zhì)0102030405060708儲(chǔ)氫技術(shù)燃料電池氫的典型應(yīng)用案例制氫技術(shù)氫燃料氫的歷史為什么選擇氫1.概述2新能源太陽(yáng)能氫能核能生物質(zhì)能地?zé)崮芑瘜W(xué)電源潮汐能風(fēng)能可燃冰氫經(jīng)濟(jì)2氫經(jīng)濟(jì)（Hydrogeneconomy）是能源以氫為媒介（儲(chǔ)存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）的一種未來(lái)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)想，是20世紀(jì)70年代美國(guó)應(yīng)對(duì)石油危機(jī)提出的。美國(guó)在1990年就通過(guò)了氫能研究與發(fā)展、示范法案，美國(guó)能源部(DOE)就此啟動(dòng)了一系列氫能研究項(xiàng)目。特別在小布什出任美國(guó)總統(tǒng)期間，美國(guó)政府大力推動(dòng)了“氫經(jīng)濟(jì)”，氫能被認(rèn)為是未來(lái)美國(guó)能源的發(fā)展方向，美國(guó)應(yīng)當(dāng)走以氫能為能源基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路。電動(dòng)汽車(chē)2MiraiTesla動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池鎳氫電池儲(chǔ)氫罐鋰離子電池電機(jī)燃料電池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh動(dòng)力系統(tǒng)重量(kg)56~40(245V)87.5540~184續(xù)航里程(km)502426整備質(zhì)量(kg)1,8502,108充能時(shí)間3~5分鐘8小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)充）價(jià)格(US$)57,50079,900豐田MiraiTeslaModelSvs燃料電池汽車(chē)被認(rèn)為是全電動(dòng)汽車(chē)的終極選擇人類(lèi)使用的能量載體來(lái)自何處？答案是：植物原始人生食-鉆木取火伐木燒制木炭2人在休息時(shí)消耗的平均能量0.1kW對(duì)于勞動(dòng)者來(lái)說(shuō)，需要0.1kW的能量用于工作0.4kW人類(lèi)和動(dòng)物對(duì)植物的消耗并沒(méi)有改變大氣成分非生物系統(tǒng)提供的唯二機(jī)械功：風(fēng)力發(fā)電機(jī)水力發(fā)電機(jī)CO2光合作用2人類(lèi)第一次擁有了一臺(tái)非生物機(jī)器，可以消耗碳或碳?xì)浠衔铮葱杼峁C(jī)械動(dòng)力。這開(kāi)啟了工業(yè)革命，從而徹底改變了社會(huì)，特別是需求越來(lái)越多的能源。蒸汽機(jī),1712ThomasNewcomen

能源來(lái)自于哪里？煤炭，太陽(yáng)能在地殼中儲(chǔ)存了數(shù)百萬(wàn)年碳,固態(tài),

不含H2石油,液態(tài),

-CH2-天然氣CH4能源載體的變遷2218605×1012kWh/年20081.2×1014kWh/年超過(guò)80％是基于化石燃料世界能源消耗量2全球平均能源需求為2kW/人然而，地球上還有20億人沒(méi)有消耗任何化石燃料儲(chǔ)量有限，根據(jù)能耗外推預(yù)測(cè)：能源需求量將很快超過(guò)能源供應(yīng)量上世紀(jì)人口×4能源需求×24

能源消耗美國(guó):10kW/人歐洲:5kW/人能源需求與供給2污染和地區(qū)不穩(wěn)定性油船起火原油泄漏兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)化石燃料的需求也對(duì)各國(guó)之間的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)往來(lái)產(chǎn)生了重大的影響。這是促使人類(lèi)尋求一種不依賴(lài)化石燃料(而選擇可無(wú)限使用的可再生能源形式）的能源解決方案的兩大重要理由。溫室效應(yīng)21.每年大氣中二氧化碳的凈增加量是多少？2.怎么計(jì)算的？CO2

濃度上升≈0.4%/年碳儲(chǔ)量和碳交換率溫室效應(yīng)2植物不能實(shí)時(shí)吸收所有額外釋放的二氧化碳CO2導(dǎo)致的溫室效應(yīng)會(huì)使地球的平均溫度上升反射紅外線的氣體:CO2,CH4,N2O,CFCs,O3

從南極的沃斯托克冰芯研究過(guò)去42萬(wàn)年的氣候和大氣歷史表明：地球溫度的變化與大氣中溫室氣體濃度的變化有關(guān)CO2濃度持續(xù)上升對(duì)未來(lái)的氣候有哪些影響？溫室效應(yīng)2目前我們正處于太陽(yáng)活動(dòng)較弱的時(shí)期，平均地表溫度理應(yīng)下降然而100年來(lái)，地球溫度持續(xù)上升在過(guò)去10年中，觀察到平均溫度異常急劇增加這是有必要開(kāi)發(fā)一種不含碳（零排放）的新能源載體的另一個(gè)重要原因。2人類(lèi)為什么有必要開(kāi)發(fā)一種不含碳（零排放）的新能源載體？請(qǐng)查閱文獻(xiàn)資料，給出充分的證據(jù)。復(fù)習(xí)題2經(jīng)濟(jì)收益-化石能源化石能源對(duì)社會(huì)發(fā)展/生活水平有著巨大的影響GNP(國(guó)民生產(chǎn)總值)人均消耗的能量人均能源消耗低的國(guó)家的國(guó)民生產(chǎn)總值較低，反之亦然當(dāng)今工業(yè)化世界的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源很大程度上來(lái)自于化石能源化石燃料-大自然賦予人類(lèi)的能量載體2能量載體的兩種類(lèi)型I：可逆儲(chǔ)能系統(tǒng)：

用機(jī)械能或電能的形式充能(儲(chǔ)能)/根據(jù)需要釋能(供能)電容器蓄電池系統(tǒng)的整體效率等于各部分效率的總和（充電效率+放電效率）能量密度取決于活性材料的物理性質(zhì)/限制在每個(gè)原子1至2eV飛輪II：不可逆儲(chǔ)能系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)還原化合物來(lái)儲(chǔ)存能量→O2+半穩(wěn)定的產(chǎn)物

6CO2+6H2O→C6H12O6(葡萄糖）+6O22ZnO→Zn+O2產(chǎn)物+O2→

能量+化合物（揮發(fā)性或非揮發(fā)性的）優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)大氣運(yùn)輸、儲(chǔ)氧和揮發(fā)性產(chǎn)物,具有相當(dāng)高的能量存儲(chǔ)密度缺點(diǎn)：涉及更多流程，從而限制了系統(tǒng)的整體效率能量載體的兩種類(lèi)型22氫應(yīng)該成為未來(lái)的能源載體考慮到人類(lèi)的能源載體從零氫向富氫發(fā)展的歷史進(jìn)程，以及必須避免二氧化碳排放（溫室效應(yīng)）C(煤,固態(tài))→?CH2?(石油,液態(tài))→CH4(天然氣)→H2(氫氣)推斷：氫應(yīng)該成為未來(lái)的能源載體氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽(yáng)能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲(chǔ)存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個(gè)閉環(huán)H2←H2O/-CH2-

電解消耗電能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少數(shù)幾個(gè)過(guò)程是產(chǎn)氫的氫能社會(huì)可選擇的能量來(lái)源有哪些？氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽(yáng)能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲(chǔ)存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個(gè)閉環(huán)H2←H2O/-CH2-

電解消耗電能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少數(shù)幾個(gè)過(guò)程是產(chǎn)氫的氫能社會(huì)可選擇的能量來(lái)源有哪些？可能的能源2核裂變核聚變?nèi)藶榭刂频暮肆炎?受核反應(yīng)堆中核素的開(kāi)采和對(duì)裂變反應(yīng)產(chǎn)物的處理所限在地殼中儲(chǔ)存的高濃度的裂變?cè)嫌邢蓿覂H能滿足全球能源的需求不超過(guò)100年可能的能源2地球上的自然裂變使地表?yè)碛幸欢ǖ臒崃?，在冰島等特殊國(guó)家或地區(qū)使用地?zé)崮茏鳛橹饕茉慈欢?，?duì)潛在的地?zé)崮軘?shù)量的估計(jì)表明，它們實(shí)際只覆蓋了全球能源需求的很小一部分（渦輪機(jī)）2在地質(zhì)年代，一次能源的唯一來(lái)源是H2的核聚變兩種選擇:地球上的核聚變/地球外（太陽(yáng)）的核聚變地球上的核聚變：人為控制

，在極高溫下集中供能

而釋放大量能量?jī)H在氫彈中實(shí)現(xiàn)未來(lái)：和平地利用聚變作為主要能源；但由于大量技術(shù)問(wèn)題，

聚變還不能實(shí)現(xiàn)利用（ITER項(xiàng)目）可能的能源2可能的能源通過(guò)振蕩的方式，太陽(yáng)給地球表面提供聚變能，頻率為24h，基礎(chǔ)頻率為一年到達(dá)地球的能量平均強(qiáng)度低，僅為165Wm?2人類(lèi)面臨的挑戰(zhàn)--通過(guò)以下方式轉(zhuǎn)換能量和使能量集中水力發(fā)電風(fēng)能太陽(yáng)能電池板生物質(zhì)能2可能的能源例如，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換測(cè)算：太陽(yáng)常數(shù)1.369kWm-2＆~50％太陽(yáng)光輻射到達(dá)地球表面光伏系統(tǒng)在理想條件下，效率可達(dá)10%左右—需要覆蓋約473000km2（80m2/人）面積的光伏電池才能滿足當(dāng)今的世界能源需求總面積=位于非洲北部的一個(gè)廣場(chǎng)（700km×700km）2挪威卑爾根，北歐21:45,Aug4,2012氫的循環(huán)利用2來(lái)自太陽(yáng)的能量轉(zhuǎn)化為電能例如：光伏電池來(lái)自可再生能源的電力→水的電解O2→大氣H2→儲(chǔ)存→運(yùn)輸→分銷(xiāo)2H2+O2→2H2O+能量(燃燒)

能量=熱量+做功

水/蒸氣→大氣

由此完成一個(gè)氫的循環(huán)2復(fù)習(xí)題請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述如何完成一個(gè)氫循環(huán)的閉合過(guò)程。電解水2電解水—技術(shù)成熟，已市場(chǎng)化，可產(chǎn)出高純H2電解產(chǎn)生的H2中的雜質(zhì)僅有：H2O&O2在環(huán)境溫度和大氣壓力下電解-最小電壓1.481V&最低能耗39.4kWhkg?1H2

目前水平：電解槽系統(tǒng)能耗大約47kWhkg?1H2

，效率最高約82%2含能量單位質(zhì)量H2的化學(xué)能(39.4kWhkg?1)–比其他的燃料大2倍例如：液態(tài)碳?xì)浠衔?13.1kWhkg?1)

1kgH2的能量=3kg石油的能量然而，在實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)之前，需要克服眾多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)H2oil2技術(shù)挑戰(zhàn)實(shí)時(shí)產(chǎn)氫、安全/方便地儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以及提高H2燃燒的效率，要滿足全世界對(duì)能源的需求，需要>3×1012kgH2/年，是大約目前氫氣產(chǎn)量的100倍安裝相關(guān)的設(shè)備需要預(yù)先消耗大量的能源，以及大量的資金投入眾多工藝過(guò)程（制氫、調(diào)質(zhì)、運(yùn)輸、分銷(xiāo)、能量轉(zhuǎn)化等）降低了綜合能源效率；經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)2經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)：制氫成本當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)是基于自然界儲(chǔ)存了數(shù)百萬(wàn)年的免費(fèi)能源購(gòu)買(mǎi)化石燃料的價(jià)格低—僅僅支付了開(kāi)采成本為了使世界適應(yīng)氫氣等人造燃料，世界經(jīng)濟(jì)體應(yīng)被說(shuō)服為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料買(mǎi)單2新能源太陽(yáng)能氫能核能生物質(zhì)能地?zé)崮芑瘜W(xué)電源潮汐能風(fēng)能可燃冰氫經(jīng)濟(jì)2氫經(jīng)濟(jì)（Hydrogeneconomy）是能源以氫為媒介（儲(chǔ)存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）的一種未來(lái)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)想，是20世紀(jì)70年代美國(guó)應(yīng)對(duì)石油危機(jī)提出的。美國(guó)在1990年就通過(guò)了氫能研究與發(fā)展、示范法案，美國(guó)能源部(DOE)就此啟動(dòng)了一系列氫能研究項(xiàng)目。特別在小布什出任美國(guó)總統(tǒng)期間，美國(guó)政府大力推動(dòng)了“氫經(jīng)濟(jì)”，氫能被認(rèn)為是未來(lái)美國(guó)能源的發(fā)展方向，美國(guó)應(yīng)當(dāng)走以氫能為能源基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路。電動(dòng)汽車(chē)2MiraiTesla動(dòng)力系統(tǒng)燃料電池鎳氫電池儲(chǔ)氫罐鋰離子電池電機(jī)燃料電池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh動(dòng)力系統(tǒng)重量(kg)56~40(245V)87.5540~184續(xù)航里程(km)502426整備質(zhì)量(kg)1,8502,108充能時(shí)間3~5分鐘8小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)充）價(jià)格(US$)57,50079,900豐田MiraiTeslaModelSvs燃料電池汽車(chē)被認(rèn)為是全電動(dòng)汽車(chē)的終極選擇2污染和地區(qū)不穩(wěn)定性油船起火原油泄漏中東戰(zhàn)爭(zhēng)化石燃料的需求也對(duì)各國(guó)之間的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)互動(dòng)產(chǎn)生了重大的影響。這是促使人類(lèi)尋求一種不依賴(lài)化石燃料(而選擇可無(wú)限使用的可再生能源形式）的能源解決方案的兩大重要理由。溫室效應(yīng)21.每年大氣中二氧化碳的凈增加量是多少？2.怎么計(jì)算的？CO2

濃度上升≈0.4%/年碳儲(chǔ)量和碳交換率氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽(yáng)能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲(chǔ)存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個(gè)閉環(huán)H2←H2O/-CH2-

電解消耗電能，所以一次能源是必需的在自然界中只有少數(shù)幾個(gè)過(guò)程是產(chǎn)氫的氫能社會(huì)可選擇的能量來(lái)源有哪些？2含能量單位質(zhì)量H2的化學(xué)能(39.4kWhkg?1)–比其他的燃料大2倍例如：液態(tài)碳?xì)浠衔?13.1kWhkg?1)

1kgH2的能量=3kg石油的能量然而，在實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)之前，需要克服眾多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)H2oil2技術(shù)挑戰(zhàn)實(shí)時(shí)產(chǎn)氫、安全/方便地儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以及提高H2燃燒的效率，要滿足全世界對(duì)能源的需求，需要>3×1012kgH2/年，是大約目前氫氣產(chǎn)量的100倍安裝相關(guān)的設(shè)備需要預(yù)先消耗大量的能源，以及大量的資金投入眾多工藝過(guò)程（制氫、調(diào)質(zhì)、運(yùn)輸、分銷(xiāo)、能量轉(zhuǎn)化等）降低了綜合能源效率；經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)2經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)：制氫成本當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)是基于自然界儲(chǔ)存了數(shù)百萬(wàn)年的免費(fèi)能源購(gòu)買(mǎi)化石燃料的價(jià)格低—僅僅支付了開(kāi)采成本為了使世界適應(yīng)氫氣等人造燃料，世界經(jīng)濟(jì)體應(yīng)被說(shuō)服為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料買(mǎi)單2討論題以2014年底豐田未來(lái)Mirai氫燃料電池車(chē)正式商業(yè)化為標(biāo)志，世界正式步入氫經(jīng)濟(jì)建設(shè)初期。請(qǐng)查閱資料，評(píng)述各國(guó)禁油令和發(fā)展氫能的政策措施對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響。2.氫能發(fā)展史2氫的歷史時(shí)間表簡(jiǎn)介興登堡和挑戰(zhàn)者災(zāi)難HenryCavendishhydrogencarhydrogenbomb2.1氫的歷史時(shí)間表2JanBaptistavanHelmont2.1氫的歷史時(shí)間表2據(jù)報(bào)道，在中世紀(jì)，帕拉塞爾蘇斯注意到，當(dāng)鐵溶解在“硫酸”中時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體。羅伯特·博伊爾用稀硫酸和鐵制出了“人造的空氣”Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑硫酸亞鐵ParacelsusSwiss2德國(guó)化學(xué)家GeorgErnstStahl燃素理論2他證明有不同類(lèi)型的空氣，其中一種是“易燃空氣”。1770年，他在氫-氧混合物中進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生水。對(duì)于易燃空氣，基于希臘語(yǔ)“hydor”提出了“氫”這個(gè)詞，意思是1787年的水源。HenryCavendishBritishAntoine-LaurentdeLavoisierFrench2從煤和碳?xì)浠衔镏兄茪?水電解制氫

1800年，Nicholson和Carlisle通過(guò)電流將水分解為氧氣和氫氣。2電解水的主要技術(shù)堿性電解水制氫原理圖PEM水電解原理圖電解水制氫已經(jīng)工業(yè)化。水電解制氫設(shè)備的核心部分是電解槽;目前常用的電解槽有堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM）2D?bereiner鉑金打火機(jī)1823年，JohannWolfgangD?bereiner（德國(guó)人）發(fā)明了第一款輕型“口袋式”雪茄打火機(jī)。SirWilliamGrove于1839年制作了一個(gè)“伏打電池”，它是現(xiàn)代燃料電池的雛形。

伏打電池儲(chǔ)氫技術(shù)2T.Graham報(bào)道，鈀金屬可以通過(guò)形成金屬氫化物吸收大量的氫。

1898年5月10日，JamesDewar（蘇格蘭人）使用循環(huán)冷卻成為第一個(gè)使用靜態(tài)液化氫的人。麥格納斯太爾和寶馬開(kāi)發(fā)的液氫罐系統(tǒng)金屬氫化物2儲(chǔ)氫技術(shù)高壓罐系統(tǒng)35MPa氫罐70MPa氫罐高壓MH罐2氫的同位素和氫彈1954年3月1日，美國(guó)在馬紹爾群島的小比基尼環(huán)礁點(diǎn)燃了第一枚氫彈。氕放電管

氘放電管1931年，Urey，Brickwedde和Murphy發(fā)現(xiàn)了氫同位素H2，氘。