【步步高】高中生物-第5章-第22課時光合作用的原理和應(yīng)用名師課件

第十章氫能與燃料電池席反應(yīng)。使用PowerPoint可以跟蹤演示時的即席反應(yīng)，在幻燈片放映中，右鍵單擊鼠標(biāo)請選擇“會議記錄”選擇“即席反應(yīng)”選項卡必要時輸入即席反應(yīng)單擊“確定”撤消此框此動作將自動在演示文稿末尾創(chuàng)建一張即席反應(yīng)幻燈片，包括您的觀點。

氫能:一種新的清潔的二次能源。電能、汽油、柴油、酒精:傳統(tǒng)的二次能源。氫能可以輸送、儲存、大規(guī)模生產(chǎn)和可再生利用，同時對環(huán)境友好，基本上沒有環(huán)境污染。氫能源正處于技術(shù)開發(fā)階段。到本世紀中葉，氫有可能將取代石油，成為使用最廣泛的燃料之一。

1精選ppt第十章氫能與燃料電池席反應(yīng)。使用PowerPoint可10.1氫元素和氫能氫的物理化學(xué)性質(zhì)氫是已知元素中最輕的元素，原子量1.008。在常溫下是氣體，沸點-252.87℃，凝固點-259.14℃。氫氣在常溫下為無色無臭的氣體，密度是空氣0.0689倍。氫氣的導(dǎo)熱性很高。固態(tài)氫具有金屬性和超導(dǎo)性。氫能是由氫元素燃燒或化學(xué)反應(yīng)時所釋放出的能量，主要以熱能或化學(xué)能的形式出現(xiàn)。2精選ppt10.1氫元素和氫能氫的物理化學(xué)性質(zhì)2精選ppt制氫發(fā)電燃料電池電解水太陽能風(fēng)能生物質(zhì)能地?zé)崮芎Ｑ竽芤淮文茉礆錃怆娏Χ文茉从脩魣D10-1未來能源結(jié)構(gòu)體系的展望

氫氣燃燒的特點發(fā)熱值高；點燃快，燃點高，燃燒性能好,燃燒效率高；是一種清潔燃料。3精選ppt制氫發(fā)電燃料電池電解水太陽能一次能源氫氣電力二次能源用戶圖110.2氫的制備通常所指的氫能，指游離的分子氫H2所具有的能量。雖然地球上氫元素含量十分豐富，但是游離的分子氫卻十分的稀少。大氣中游離的H2僅有二百萬分之一。氫通常以化合物的形態(tài)存在于水、生物質(zhì)和礦物質(zhì)燃料中。要從這些物質(zhì)中獲得氫，需要消耗大量的能量。因此，為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用，最關(guān)鍵的是要找到一種廉價低能耗的制氫方法。4精選ppt10.2氫的制備通常所指的氫能，指游離的分子氫H2所具有的制備氫的四種方法:甲烷或碳與水蒸氣反應(yīng)制氫采用煤、石油或天然氣等化石燃料，在高溫下與水蒸氣發(fā)生催化反應(yīng)，其反應(yīng)方程為：甲烷催化水蒸氣重整反應(yīng)煤氣化制氫反應(yīng)甲醇催化裂解反應(yīng)5精選ppt制備氫的四種方法:甲烷催化水蒸氣重整反應(yīng)煤氣化制氫反應(yīng)甲醇催電解水制氫

利用外加電能對水進行電解來產(chǎn)生氫氣。電解的反應(yīng)為：

圖10-2電解水制氫原理

陽極陰極電池反應(yīng)6精選ppt電解水制氫圖10-2電解水制氫原理陽極陰極電池反應(yīng)6精選熱化學(xué)制氫

從水中制氫，也可以通過高溫化學(xué)反應(yīng)的方法進行。按照反應(yīng)中所涉及的中間載體物料，可以分成氧化物體系、鹵化物體系、含硫體系和雜化物體系四種反應(yīng)體系。各種體系的反應(yīng)過程可以寫成一種通用形式：

總反應(yīng)為

7精選ppt熱化學(xué)制氫各種體系的反應(yīng)過程可以寫成一種通用形式：總反應(yīng)固體生物質(zhì)制氫

固體生物質(zhì)制氫的基本工藝為：將生物質(zhì)氣化或熱裂解，生成合成氣。合成氣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。整個反應(yīng)式為：8精選ppt固體生物質(zhì)制氫整個反應(yīng)式為：8精選ppt另外，還有以下兩種制氫方法：核能熱利用制氫利用核反應(yīng)堆生成的熱能或電能作為能源來進行制氫。

太陽能制氫

太陽能熱分解水制氫太陽能電解水制氫太陽能直接光解水制氫人工光合成作用制氫生物制氫太陽能半導(dǎo)體光催化制氫

9精選ppt另外，還有以下兩種制氫方法：9精選ppt10.3氫的儲存由于氫的質(zhì)量小，常溫下是氣態(tài)，其單位體積的含能量要比常規(guī)能源小得多，且易燃（4％－75％）、易爆（15％－59％）。當(dāng)作為燃料時，又具有分散性和間斷使用的特點，因此氫的存儲難度很大。目前可以采用的儲氫方法有下列幾種：

10精選ppt10.3氫的儲存由于氫的質(zhì)量小，常溫下是氣態(tài)，其單位體積的高壓儲存

將氫氣壓縮成高壓（15－40MPa），裝入鋼瓶中儲存和運輸。常用的壓縮機有離心式、輻射式和往復(fù)活塞式，其中離心式處理量最大。儲氫容器可分為四類，即：

1、全金屬容器；

2、可承重的金屬材料作襯里，外包飽和樹脂纖維的容器；

3、不可承重的金屬材料作襯里，外包飽和樹脂纖維；

4、全非金屬容器。壓力為35MPa的由碳化纖維制成的高壓氣瓶已足夠汽車使用。11精選ppt高壓儲存11精選ppt液態(tài)儲存

將氫氣冷卻到20K左右，氫氣將被液化，體積大大縮小，然后儲存在絕熱的低溫容器中。液態(tài)氫的體積含能量很高，常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，液氫的體積能量密度比高壓氣態(tài)貯存高好幾倍，已在宇航中作為燃料獲得應(yīng)用。氫氣液化裝置主要包括加壓器、換熱器、膨脹機和節(jié)流閥。最常用的氫液化循環(huán)是林德（Linde）循環(huán)或節(jié)流循環(huán)。12精選ppt液態(tài)儲存12精選ppt固態(tài)金屬氫化物儲氫

由于氫和氫化金屬之間可以進行可逆反應(yīng)，當(dāng)氫和氫化金屬形成氫化物時，氫就以固態(tài)的形式存儲于氫化物中。當(dāng)需要用氫時，通過加熱，氫化物就可以放出氫氣。目前已經(jīng)發(fā)展的氫化金屬有Li、Mg和Ti的合金，如Mg2NiH4和FeTiH1.95等。金屬氫化物儲氫安全、儲存容量大、使用方便、運輸簡單，是氫氣儲存中最方便且最有發(fā)展前景的一種儲氫方法。13精選ppt固態(tài)金屬氫化物儲氫13精選ppt其他儲氫方法

配位氫化物儲氫有機物儲氫玻璃微球儲氫地下儲氫物理吸附儲氫

14精選ppt其他儲氫方法14精選ppt10.4燃料電池的基本原理

燃料電池的特點燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾效率限制。清潔、環(huán)保。燃料電池不需要鍋爐、汽輪機等大型設(shè)備、沒有SOx、NOx氣體和固體粉塵的排放?？煽啃院筒僮餍粤己茫肼暤?。所用燃料廣泛，占地面積小，建廠具有很大靈活性。

15精選ppt10.4燃料電池的基本原理燃料電池的特點15精選ppt燃料電池的組成和工作原理

燃料電池的基本組成：陽極、陰極、電解質(zhì)和外電路。燃料電池中的電解質(zhì)有不同的種類。

圖10－3燃料電池的基本單元

16精選ppt燃料電池的組成和工作原理圖10－3燃料電池的基本單元1燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）（1）氫氣在陽極催化劑的作用下，發(fā)生下列陽極反應(yīng)：（2）氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極。電子則通過外電路及負載也達到陰極。在陰極催化劑的作用下，生成水反應(yīng)式為：（3）綜合起來，氫氧燃料電池中總的電池反應(yīng)為：伴隨著電池反應(yīng)，電池向外輸出電能。只要保持氫氣和氧氣的供給，該燃料電池就會連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。17精選ppt燃料電池的工作原理（以氫氧磷酸型電池為例）17精選ppt

對于不同的電解質(zhì)，燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)也不一樣。

圖10－4不同電解質(zhì)類型的電化學(xué)反應(yīng)原理圖18精選ppt對于不同的電解質(zhì)，燃料電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)也不一圖

燃料電池的電能轉(zhuǎn)化效率和電池電動勢隨電池的工作溫度和壓力的變化而變化

圖10-5可逆氫－氧燃料電池效率和電動勢曲線19精選ppt燃料電池的電能轉(zhuǎn)化效率和電池電動勢隨電池的工作溫度圖10電池極化

對于實際電池來說，當(dāng)電流通過電池時，電極上會發(fā)生一系列物理、化學(xué)過程，例如氣體擴散、吸附、溶解等。這些過程都會產(chǎn)生阻力，電池反應(yīng)要進行下去，就必須消耗一部分自身能量去克服這些阻力。因此實際的電極電位就低于可逆理想電位。這種現(xiàn)象稱為電池極化。電池極化是由于電池中有凈電流通過時所產(chǎn)生的電化學(xué)現(xiàn)象。極化可以分成三類：

活化極化εact

濃差極化εcon

歐姆極化εΩ

20精選ppt電池極化20精選ppt圖10－6典型的燃料電池極化曲線

21精選ppt圖10－6典型的燃料電池極化曲線21精選ppt燃料電池效率

燃料電池效率是反應(yīng)其在能量轉(zhuǎn)換過程中能量損失大小的一個量。燃料電池效率的定義為：

燃料在可逆過程中，燃料電池的理想效率（熱力學(xué)效率）為：

22精選ppt燃料電池效率燃料在可逆過程中，燃料電池的理想效率（燃料電池中的催化作用

燃料電池中的電催化作用是用來加速燃料電池化學(xué)反應(yīng)中電荷轉(zhuǎn)移的一種作用，一般發(fā)生在電極與電解質(zhì)的分界面上。催化劑是一類可產(chǎn)生電催化作用的物質(zhì)。電催化劑可以分別用于催化陽極和陰極反應(yīng)。這種分離的催化特征，使得人們可以更好地優(yōu)選不同的催化劑。

*評價催化劑的主要技術(shù)指標(biāo)為穩(wěn)定性、電催化活性、電導(dǎo)率和經(jīng)濟性。23精選ppt燃料電池中的催化作用23精選ppt10.5燃料電池的分類及特征

燃料電池按電解質(zhì)的不同，可以分成五類：堿性燃料電池（AFC）磷酸型燃料電池（PAFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）按工作溫度的不同,燃料電池可分成低溫、中溫和高溫三類。

24精選ppt10.5燃料電池的分類及特征燃料電池按電解質(zhì)的不同，可以堿性燃料電池（AFC）

AFC的工作原理：基本上是水電解的逆過程。它以氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質(zhì)，溶液的質(zhì)量分數(shù)一般為30％～45％，最高可達80％。AFC燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)為陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)整個電池反應(yīng)

25精選ppt堿性燃料電池（AFC）25精選pptAFC電池結(jié)構(gòu)

電解質(zhì)保持在多孔體中的基體型?；w主要是石棉膜，它飽吸KOH溶液。電池成多孔疊層結(jié)構(gòu)自由電解質(zhì)型。電解質(zhì)是自由流體，電池設(shè)有電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，可以在電池外部冷卻電解質(zhì)和排出水分。電極以電解液保持室隔板的形式粘結(jié)在塑料制成的電池框架上，然后再加上鎳隔板做成的雙極板，構(gòu)成單電池。26精選pptAFC電池結(jié)構(gòu)26精選ppt1－氧支撐板2－氧蜂窩（氣室）3－氧電極4－石棉膜5－氫電極6－氫蜂窩（氣室）7－氫支撐板8－排水膜9－排水膜支撐板10－除水蜂窩（蒸發(fā)室）11－除水蜂窩板圖10－7靜態(tài)排水的氫氧隔膜型燃料電池單體示意圖（基本型）

27精選ppt1－氧支撐板2－氧蜂窩（氣室）3－氧電極4－石棉圖10－8堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)（自由電解質(zhì)型）

28精選ppt圖10－8堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)（自由電解質(zhì)型）28精選pp圖10－9培根AFC電池系統(tǒng)

29精選ppt圖10－9培根AFC電池系統(tǒng)29精選ppt磷酸型燃料電池（PAFC）

PAFC以磷酸水溶液為電解質(zhì)，重整氣為燃料，以空氣為氧化劑。PAFC燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)為陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)整個電池反應(yīng)30精選ppt磷酸型燃料電池（PAFC）30精選pptPAFC的基本構(gòu)造

圖10－10磷酸型燃料電池的基本構(gòu)造31精選pptPAFC的基本構(gòu)造圖10－10磷酸型燃料電池的基本構(gòu)造圖10—11美國40KWPAFC電站系統(tǒng)工藝流程圖32精選ppt圖10—11美國40KWPAFC電站系統(tǒng)工藝流程圖32固體氧化物燃料電池（SOFC）

SOFC以重整氣（H2+CO）為燃料，空氣為氧化劑。采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基固體電解質(zhì)。SOFC電池反應(yīng)：圖10－12SOFC電池反應(yīng)

33精選ppt固體氧化物燃料電池（SOFC）圖10－12SOFC電池SOFC電池的工作過程與其他燃料電池有所不同。由于固體電解質(zhì)不允許電子和氫離子通過，而只允許帶負電的氧離子通過，因此它的電池反應(yīng)為陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)整個電池反應(yīng)為34精選pptSOFC電池的工作過程與其他燃料電池有所不同。由于固體電解質(zhì)SOFC電池的結(jié)構(gòu)

薄膜型板式管式圖10-13SOFC單電池的結(jié)構(gòu)型式簡圖：(a)管式；(b)平板式

35精選pptSOFC電池的結(jié)構(gòu)圖10-13SOFC單電池的結(jié)構(gòu)型式圖10—14世界上第一套SOFC和微型燃氣輪機復(fù)合的發(fā)電系統(tǒng)示意圖

36精選ppt圖10—14世界上第一套SOFC和微型燃氣輪機復(fù)合的發(fā)電系熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

MCFC采用堿金屬鋰（Li）、鈉（Na）和鉀（K）的碳酸鹽為電解質(zhì)，以H2和CO2為燃料氣，O2和CO2為氧化劑。由于MCFC中陽極生成而陰極消耗，所以電池中需要CO2的循環(huán)系統(tǒng)。圖10—15MCFC電池中CO2循環(huán)示意圖37精選ppt熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）圖10—15MCFC電池熔融碳酸鹽燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)為：陽極反應(yīng)：H2+CO32-→H2O+CO2+2eCO+CO32-→CO2+2e陰極反應(yīng)：CO2+1/2O2+2e→CO32-整個電池反應(yīng)：H2+1/2O2+CO2(a)→H2O+CO2(c)38精選ppt熔融碳酸鹽燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)為：38精選pptMCFC燃料電池的結(jié)構(gòu)圖10-16MCFC燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

39精選pptMCFC燃料電池的結(jié)構(gòu)圖10-16MCFC燃料電池結(jié)構(gòu)示圖10—17MCFC發(fā)電廠流程圖

40精選ppt圖10—17MCFC發(fā)電廠流程圖40精選ppt質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

PEMFC以固體電解質(zhì)膜為電解質(zhì)。電解質(zhì)不傳導(dǎo)電子，是氫離子的良導(dǎo)體。PEMFC采用氫氣、液態(tài)烴或甲醇作為燃料，氧或空氣作為氧化劑。PEMFC電池的工作原理是：氫氣和氧氣通過雙極板的導(dǎo)氣通道分別到達電池的陽極和陰極，再通過電極上的擴散層到達質(zhì)子交換膜。41精選ppt質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）41精選ppt質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)為：陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

整個電池反應(yīng)為：42精選ppt質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)為：42精選ppt圖10－18PEMFC剖面圖

43精選ppt圖10－18PEMFC剖面圖43精選pptPEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質(zhì)的復(fù)合體。

圖10－19膜電極結(jié)構(gòu)示意圖44精選pptPEMFC的電極常被稱圖10－19膜電極結(jié)構(gòu)示意圖44圖10－20常見的PEMFC雙極板流道設(shè)計

45精選ppt圖10－20常見的PEMFC雙極板流道設(shè)計45精選pptPEMFC的單電池結(jié)構(gòu)

圖10－21PEMFC的單電池結(jié)構(gòu)圖

46精選pptPEMFC的單電池結(jié)構(gòu)圖10－21PEMFC的單電池結(jié)構(gòu)圖10－22典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖