化學(xué)電源復(fù)Z習(xí)重點(diǎn))

1、新能源技術(shù)概論期末復(fù)習(xí)1 化學(xué)電源的定義?；瘜W(xué)電源：是一種將物質(zhì)的化學(xué)能通過電化學(xué)氧化還原反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置或系統(tǒng)，具有儲(chǔ)存電能的功能。2 化學(xué)電源的主要種類與特點(diǎn)。一次電池：放電后不能用充電的方法使之復(fù)原，兩電極的活性物質(zhì)只利用一次。小型、攜帶方便，放電電流不大。二次電池：充電后可使之復(fù)原。能多次充放電，循環(huán)利用。燃料電池：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)電源。正負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，將燃料（電極活性物質(zhì)）輸入電池就能長期放電。儲(chǔ)備電池：儲(chǔ)存期內(nèi)電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)不接觸，或電解質(zhì)處于固態(tài)；使用時(shí)借助動(dòng)力源或水作用于電解質(zhì)使電池激活。3 化學(xué)電源的主要組成部分與作用。

2、正極和負(fù)極：參與電極反應(yīng)和導(dǎo)電，決定電池的電性能。電解質(zhì)：保證正負(fù)極之間離子導(dǎo)電作用，有的參與成流反應(yīng)或二次反應(yīng)，或只起導(dǎo)電作用。隔膜：防止正、負(fù)極短路，允許離子通過。外殼：起保護(hù)作用。4 化學(xué)電源的主要參數(shù)：電動(dòng)勢(shì)：電池在斷路條件下正負(fù)極間的平衡電勢(shì)之差。開路電壓：沒有通電時(shí)電池的兩電極之間的電壓，小于電池電動(dòng)勢(shì)。額定電壓：電池在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓。工作電壓：在電池兩段接上負(fù)載R后，在放電過程中顯示出來的電壓。終止電壓：電池在一定標(biāo)準(zhǔn)條件下放電時(shí)，電壓逐漸降低，當(dāng)電池不宜繼續(xù)放電時(shí)，電池的最低工作電壓。放電曲線：電池工作電壓隨時(shí)間變化的曲線。時(shí)率：以一定的放電電流放完額定容量

3、所需要的小時(shí)數(shù)。內(nèi)阻：電流流過電池內(nèi)部使電池電壓降低的阻力。容量：一定放電條件下，可從電池獲得的電量。比容量：單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量。倍率：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，電池放出其額定容量時(shí)所輸出的電流值，數(shù)值上為額定容量的倍數(shù),通常以字母C表示。自放電：電池在儲(chǔ)存一段時(shí)間后，容量發(fā)生自動(dòng)降低的現(xiàn)象。循環(huán)壽命：電池充電和放電一次稱為一個(gè)周期或循環(huán)。電池容量降到某一規(guī)定值之前，能反復(fù)充、放電的次數(shù)稱為循環(huán)壽命。5 什么是內(nèi)阻？包括哪些類型，內(nèi)阻過高對(duì)電池有何影響？內(nèi)阻是電流流過電池內(nèi)部使電池電壓降低的阻力。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。電池內(nèi)阻大，會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高，導(dǎo)致電池放電工作電壓

4、降低，放電時(shí)間縮短，對(duì)電池性能、壽命等造成嚴(yán)重的影響。6 鎳氫電池工作原理、鎳氫電池充放電時(shí)的電極反應(yīng)過程、鎳氫電池如何避免過充過放過程中產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)壓升高。相應(yīng)機(jī)理。（掌握）鎳氫電池工作原理：充電的時(shí)候，正極發(fā)生Ni(OH)2 NiOOH轉(zhuǎn)變，負(fù)極則發(fā)生水分解反應(yīng)，合金表面吸附氫，生成氫化物。放電過程是上述反應(yīng)的逆反應(yīng)，即正極發(fā)生NiOOH轉(zhuǎn)變?yōu)镹i(OH)2，負(fù)極儲(chǔ)氫合金脫氫，在表面生成水。（1）充電反應(yīng)過程MH-Ni電池充電時(shí)，正極上的Ni(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)镹iOOH，水分子在儲(chǔ)氫合金負(fù)極M上放電，分解出氫原子吸附在電極表面上形成吸附態(tài)的MHab，再擴(kuò)散到儲(chǔ)氫合金內(nèi)部而被吸收形成氫化

5、物MHab。(2) 放電反應(yīng)過程MH-Ni 電池放電時(shí)，NiOOH得到電子轉(zhuǎn)變?yōu)镹i(OH)2，金屬氫化物(MH)內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到表面而形成吸附態(tài)的氫原子，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成儲(chǔ)氫合金和水。過放電時(shí)，正極上可被還原的NiOOH已經(jīng)被消耗完，這時(shí)H2O在鎳電極上被還原。正極：（鎳電極）： 2H2O+2e H2+2OH負(fù)極：（儲(chǔ)氫合金電極）：H2+2OH2H2O+2e鎳氫電池如何避免過充過放過程中產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)壓升高。儲(chǔ)氫合金的催化作用，可消除正極產(chǎn)生的O2和H2，從而使MH-Ni電池具有耐過充過放電能力。在電池設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用正極限容的方法，負(fù)極的容量大于正極容量。過充電時(shí)：正極上析出的氧氣

6、可以通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極表面與氫復(fù)合，還原為H2O和OH-進(jìn)入電解液，避免電池內(nèi)壓升高。過放電時(shí)：正極上析出的氫氣通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極表面可以被儲(chǔ)氫合金迅速吸收，否則，在過放電時(shí)，MH電極上會(huì)析出氧，使MH合金氧化。7 用于NiMH電池負(fù)極材料的儲(chǔ)氫合金應(yīng)滿足的條件。(a) 儲(chǔ)氫容量高；(b) 熱堿電解質(zhì)溶液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；(c) 反復(fù)充放電過程中合金不易粉化；(d) 良好的電和熱的傳導(dǎo)性；(e) 原材料成本低廉。8 鎳氫電池優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域。（重點(diǎn)掌握）鎳氫電池優(yōu)勢(shì)：(a) 能量密度高；(b) 無鎘污染，是綠色電池；(c) 大電流快速充放電；(d) 與NiCd電池具有互換性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

7、。應(yīng)用領(lǐng)域：小型便攜式電子器件，電動(dòng)工具、電動(dòng)車。1. 鋰離子電池工作原理。充電時(shí)，正極上的電子通過外部電路到負(fù)極, 鋰離子Li+從正極經(jīng)過電解液穿過隔膜到達(dá)負(fù)極，與電子結(jié)合在一起。放電時(shí), 電子從負(fù)極經(jīng)過電子導(dǎo)體到達(dá)正極，鋰離子Li+從負(fù)極經(jīng)過電解液穿過隔膜到達(dá)正極，與電子結(jié)合在一起。無論充放電，電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同。2. 鋰離子電池正極材料要求。（掌握）正極材料要求：（1）相對(duì)鋰的電極電位高，組成不隨電位變化，粒子/電子導(dǎo)電率高，有利于降低電池內(nèi)阻.（2）鋰離子嵌入脫嵌可逆性好，反應(yīng)的體積變化小，擴(kuò)散速度快，良好的循環(huán)特性和大電流特性。（3）與有機(jī)電解質(zhì)和粘結(jié)劑接觸

8、性能好，熱穩(wěn)性好，有利于延長電池壽命和提高安全性能。3. 鋰離子電池正極材料主要類型及特點(diǎn)。（重點(diǎn)掌握）(1)鈷酸鋰(LiCoO2)：層狀結(jié)構(gòu)，工藝簡單，電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。優(yōu)點(diǎn)：可逆性、放電容量、充放電效率、電壓的穩(wěn)定性等。缺點(diǎn)：鈷為稀有金屬,成本高，產(chǎn)地比較集中；存在供給不穩(wěn)定問題。(2)鎳酸鋰(LiNiO2)：層狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉、放電容量高；缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差、放熱量大，存在安全問題。定比組成在循環(huán)性能方面比較優(yōu)越，但難以控制。(3)錳酸鋰(LiMn2O4)：尖晶石結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)：Li的含量較少，充電后，大部分Li脫出，不易發(fā)生過充電現(xiàn)象，不用預(yù)防措施，降低成本，安全性高，Mn在自然界含量較

9、多，資源豐富、成本低。缺點(diǎn)：放電容量小，Mn在電解液中容易溶出，使充放電特性劣化，高溫充放電特性不好。（4）三元材料（LiNixMnyCol-x-yO2）鎳系復(fù)合氧化物，LiNi1-xMxO2(M=Co,Mn)，鎳和鈷均勻分布的產(chǎn)物提高了初期充放電效率和放電容量等。均勻性低的，產(chǎn)生結(jié)晶格子膨脹、收縮等結(jié)構(gòu)變化，使鋰離子的插入、脫離反應(yīng)的可逆性下降。LiNi0.6Co0.4O2與Mn復(fù)合得LiNi0.6Co0.3 Mn0.1O2，Co、Mn均勻分布的產(chǎn)物，兩者的放電容量幾乎相同（160mAh/g），而且可以有效的提高充放電壽命。用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作正極材料，更的大容量和優(yōu)異

10、的充放電循環(huán)周期特性。(5)磷酸鐵鋰(LiFePO4)橄欖石結(jié)構(gòu),具安全性，尤其耐高溫，耐過充電性能。優(yōu)點(diǎn)： 同屬正交晶系，結(jié)構(gòu)相似，嵌脫鋰過程中晶胞參數(shù)和晶胞體積變化很小，優(yōu)秀的循環(huán)穩(wěn)定性。聚陰離子團(tuán)提高了材料的釋氧溫度和熱穩(wěn)定性，使材料具有高的安全特性 。原料資源豐富、價(jià)格便宜、環(huán)境友好的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)小，電子導(dǎo)電率低，導(dǎo)致其室溫下的循環(huán)性能以及高倍充放電性能不是很好.（6）復(fù)合正極材料兩種電極材料復(fù)合可以用來增強(qiáng)其性能，可以增加電池的循環(huán)性能。4. 鋰離子電池負(fù)極材料要求。（掌握）（1）鋰儲(chǔ)存量高。（2）鋰離子嵌入脫嵌反應(yīng)快，固相中擴(kuò)散系數(shù)大，電極電解液界面的移動(dòng)阻抗小。（

11、3）鋰離子在電極材料中的存在狀態(tài)穩(wěn)定。（4）在電池的充放電循環(huán)中，碳負(fù)極材料體積變化小。（5）電子導(dǎo)電性高。（6）碳材料在電解液中不溶解5. 鋰離子電池碳負(fù)極材料的特點(diǎn)。碳負(fù)極材料：嵌鋰容量高。嵌鋰電位低且平坦，提供高而平穩(wěn)的工作電壓。容量受溶劑的影響程度較大，與有機(jī)溶劑的相容能力差。與鋰電位相近，在使用過程中石墨層之間形易成金屬鋰枝晶。6. 鋰離子電池優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域（重點(diǎn)掌握）優(yōu)勢(shì)：比能量高、充放電壽命長、安全可靠、無記憶效應(yīng)、無污染、可快速充電、內(nèi)阻小、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。工作電壓高不僅節(jié)約了空間，又降低了成本?？上姵亟M合時(shí)容量不匹配造成的問題。無記憶效應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生容量或電壓迅速衰減的問

12、題?？呻S時(shí)充放電。放電過程平穩(wěn)，易于準(zhǔn)確識(shí)別電池中存余電量。應(yīng)用領(lǐng)域：移動(dòng)電話、筆記本電腦、小型攝像機(jī)、電動(dòng)自行車、摩托車、電動(dòng)汽車、軍事用途。1. 堿性燃料電池的特點(diǎn)AFC的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：效率高可用非鉑催化劑 可以采用鎳板做雙極板。缺點(diǎn)：電解質(zhì)為堿性，易生成沉淀，影響電池性能水平衡問題影響電池的穩(wěn)定性。2. 磷酸型燃料電池的定義及特點(diǎn)磷酸型燃料電池（PAFC）：以濃磷酸為電解質(zhì)，貴金屬催化的氣體擴(kuò)散電極為正、負(fù)電極的中溫型燃料電池。PAFC的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電效率在35%-43%之間，熱電聯(lián)供時(shí)，總效率為71%-85%；潔凈、對(duì)環(huán)境污染小，沒有(或很小)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，振動(dòng)和噪聲污染也很?。贿m應(yīng)多樣燃料。PA

13、FC的缺點(diǎn)：需要貴重金屬鉑做催化劑,需要外部的燃料處理器來重整燃料提高含氫量,降低了電池的效率增加了費(fèi)用。3. 熔融碳酸鹽燃料電池的組成及特點(diǎn)熔融碳酸鹽燃料電池的組成：MCFC主要由燃料電極(陽極)、空氣電極(陰極)、熔融碳酸鹽電解質(zhì)及隔板等組成。優(yōu)點(diǎn)：1、本體發(fā)電效率較高，不需要貴金屬作催化劑；2、可使用的燃料范圍廣；3、排出的廢熱可以直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)/蒸汽機(jī)進(jìn)行復(fù)合發(fā)電，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。缺點(diǎn)：要較長的時(shí)間方能達(dá)到工作溫度，不能用于交通運(yùn)輸，電解質(zhì)的溫度和腐蝕特性用于家庭發(fā)電不太安全。4. 質(zhì)子交換膜型燃料電池的定義及工作原理（掌握）質(zhì)子交換膜型燃料電池(PEMFC)：以全氟磺酸型

14、固體聚合物為電解質(zhì)的一類燃料電池，以鉑/炭或鉑-釕/炭為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。工作原理：（以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑）：增濕后的氫氣通過雙極板上的氣體通道穿過陽極擴(kuò)散層，到達(dá)電池的陽極催化劑層，并吸附于催化劑層中。1. 吸附于陽極催化劑層中的氫氣在鉑催化劑的作用下，發(fā)生陽極反應(yīng)，在陽極上產(chǎn)生電子。2. H2 2H+ 2e-或：nH2O + 1/2H2 H+·nH2O + e-3. 隨后，H+或H+·nH2O進(jìn)入質(zhì)子交換膜，通過與膜中磺酸基上的H+進(jìn)行質(zhì)子交換到達(dá)電池陰極。同時(shí)，增濕的氧氣也穿過

15、雙極板上的氣體通道和擴(kuò)散層，吸附于陰極電催化劑層中。4. 吸附于陰極催化劑中的氧氣與交換而來的H+在鉑催化劑的作用下，發(fā)生陰極反應(yīng)：1/2O2+ 2H+ + 2e H2O在陰極上電子被吸收，陽極氫在較低電位下氧化，陰極氧在較高電位下還原，兩極間產(chǎn)生電位差，將外電路連接就會(huì)形成電流，向外電路輸出電能。理論上PEMFC的轉(zhuǎn)化率可超過80%。5. 固體氧化物燃料電池優(yōu)缺點(diǎn)。（掌握） SOFC優(yōu)點(diǎn)：(1)單電池可以由傳統(tǒng)的陶瓷工藝制成，電解質(zhì)和電極的厚度小，縮短了離子和電子的傳輸距離，降低了電池中的內(nèi)耗；（2）全固態(tài)，無液態(tài)電極腐蝕和電解質(zhì)液滲漏等問題（3)工作溫度在600-800之間，金屬

16、可以作為其連接體材料，改善了電池的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，并使得生產(chǎn)成本降低缺點(diǎn)：在高溫下才具有良好的電導(dǎo)率，存在著許多的缺點(diǎn)，如封裝困難、穩(wěn)定性能差、電極和連接材料的腐蝕，影響燃料電池的使用壽命，也使得電池的制作成本與運(yùn)行成本高。6. 微生物燃料電池的定義。微生物燃料電池（MFC)：利用微生物的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(如碳水化合物的代謝或光合作用等)，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上的裝置。7. 燃料電池優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域（重點(diǎn)掌握）燃料電池具有高效率、無污染、無噪聲、功率密度高、工作溫度低、啟動(dòng)快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在固定電站、電動(dòng)車、軍用特種電源、可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。1. 全釩液流電池（V

17、RB）的工作原理及特點(diǎn)。（掌握）全釩液電池將具有不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。在對(duì)電池進(jìn)行充放電時(shí)，電解液通過泵的作用，由外部儲(chǔ)液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電池的充放電。充電時(shí)，負(fù)極電解液V3 +在電極表面得到電子變?yōu)閂2+，正極電解液V4 +失去電子變?yōu)閂5 +；放電時(shí)，負(fù)極表面V2+失去電子變?yōu)閂3 + ，電子通過電極傳遞流向負(fù)載而達(dá)到正極，在正極表面V5+失去電子變?yōu)閂4 + 。優(yōu)點(diǎn)：1）循環(huán)壽命很長；2）充放電深度和電池的壽命幾乎沒有關(guān)系；3） 頻繁充放電對(duì)電池的壽命幾乎沒有影響；4）電池容

18、量可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)：1）體積大；2）對(duì)環(huán)境溫度要求太高；3）價(jià)格偏貴4）系統(tǒng)較復(fù)雜。2. 鈉硫電池的定義。鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。優(yōu)點(diǎn)：能量密度大、使用壽命長、原材料易得、無自放電記憶效應(yīng)。缺點(diǎn)：工作時(shí)需一定的加熱保溫，S易燃。1. 二次能源：過程性能源（電能）、含能體能源（汽油、柴油）2. 氫的性質(zhì)和特點(diǎn)：(1) 來源廣、(2) 燃燒熱值高、(3) 清潔（無色無味無毒）、(4) 燃燒穩(wěn)定性好，易做到比較完善的燃燒，燃燒效率很高、(5) 存在形式多（氣態(tài)、液態(tài)或

19、固態(tài)金屬氫化物），能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。3. 如何實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì):現(xiàn)有能源體系向氫能體系過渡的計(jì)劃：第一階段為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)階段，在此基礎(chǔ)上做出是否商業(yè)化的決策，此階段中政府將起到主導(dǎo)作用；在第二階段氫能初步進(jìn)入市場(chǎng)，開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在國家政策的引導(dǎo)下開始與氫能相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)投資；第三階段氫能源和運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)用化，市場(chǎng)和基建投資規(guī)模不斷擴(kuò)大；第四階段為市場(chǎng)與基礎(chǔ)建設(shè)均已完善的階段，氫能源和運(yùn)輸系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，完全實(shí)現(xiàn)“氫經(jīng)濟(jì)”。對(duì)于未來的“氫經(jīng)濟(jì)”而言，氫的應(yīng)用技術(shù)主要包括：燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)(蒸汽輪機(jī))發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。4.真正的“氫經(jīng)濟(jì)”距離人們的日常生活還比較遙

20、遠(yuǎn)，主要原因是氫能的大規(guī)模利用離不開大量廉價(jià)氫的獲得和安全、高效的氫氣儲(chǔ)存與輸送技術(shù)，以及應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。而現(xiàn)階段的科技水平與這些條件相比尚存在一定差距，急需解決很多技術(shù)方面的難題。5.天然氣制氫（主要成分是甲烷，其它成分為水、其它碳?xì)浠衔?、H2S、N2和COx。）(1)甲烷蒸汽重整： CH4 + H2O = CO + 3H2 H = + 49 kcalmol 水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng) CO + H2O = CO2 + H2 H = - 10 kcalmol 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，蒸汽有可能被CO2取代，因此會(huì)發(fā)生下面的反應(yīng)： CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 H = + 59 kcalmol 上述

21、反應(yīng)均需催化劑的存在，最常用的催化劑是Ni。根據(jù)Le Chtelier理論，反應(yīng)溫度更高時(shí)，平衡狀態(tài)下甲烷含量下降，CO含量增多，且甲烷含量隨壓力增大而增大，隨H2O/C比值增大而下降。(2)絕熱預(yù)重整: H2O/C比值較小及催化反應(yīng)溫度較低時(shí)，若原料氣中高級(jí)烴含量較高，則整個(gè)反應(yīng)只吸收極少的熱量甚至放熱，生成的CO重新甲烷化，在這種情況下，不需要任何外加熱量即可維持反應(yīng)進(jìn)行。若不進(jìn)行預(yù)重整，則記憶在催化劑表面形成焦炭，影響壽命。(3)部分氧化: CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2 H = - 9 kcalmol 用/不用催化劑均可。(4)自熱重整: CH4 + xO2 + (22

22、x) H2O = CO2 + (42x) H2 6.機(jī)械設(shè)計(jì)填充催化劑的圓管排列成一行，在爐墻上安裝4-6個(gè)燒嘴，便于控制輸入圓管的熱量，在各種操作條件下均可保持最佳的溫度分布。熱氣體經(jīng)過耐火通道離開輻射室，氣體余熱可加以利用。原料氣通過絲狀進(jìn)口(又稱“豬尾管”)由分布頭進(jìn)入管道，豬尾管連接在重整爐管壁上，允許使用較高的預(yù)熱溫度。重整爐出口有兩種設(shè)計(jì)，一種是產(chǎn)物氣通過爐外的接口進(jìn)入耐火材料制成的集氣管中；另一種出口采用豬尾管設(shè)計(jì)，同時(shí)使用集熱器。7.煤氣化：煤與氣化劑在一定溫度、壓力等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為煤氣的工藝過程。煤氣化技術(shù)分為地面氣化技術(shù)(即將煤放在氣化爐內(nèi)氣化)和地下氣化技術(shù)(

23、即讓煤直接在地下煤層中氣化)。煤氣化制氫主要包括三個(gè)過程：造氣反應(yīng)、水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)、氫的純化與壓縮。煤地下氣化技術(shù)：將地下處于自然狀態(tài)下的煤進(jìn)行有控制的燃燒，通過對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，這一過程在地下氣化爐的氣化通道中由3個(gè)反應(yīng)區(qū)域氧化區(qū)（O2與煤層中的碳發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，使氣化爐達(dá)到氣化反應(yīng)所必需的溫度條件。）、還原區(qū)（CO2和H2O(氣態(tài))與熾熱的煤層相遇，在足夠高的溫度下，CO2還原成CO，H2O(氣態(tài))分解成H2。）和干餾干燥區(qū)（煤層在高溫作用下，揮發(fā)組分被熱分解，而析出干餾煤氣，在出氣孔側(cè)，過量的水蒸汽和CO發(fā)生變換反應(yīng)。）來實(shí)現(xiàn)。8. 煤炭地下氣化過程中氫

24、氣主要來自3個(gè)方面，即蒸汽的分解(高溫碳與蒸汽作用生成CO和H2)、干餾煤氣和CO的變換反應(yīng)(生成的CO再與水蒸氣作用)。9. 其他化石燃料制氫法重油部分氧化主要為烴類與氧氣、蒸汽反應(yīng)生成氫氣和碳氧化物，為放熱反應(yīng)。天然氣熱解制氫以天然氣等化石燃料為原料，利用一步熱催化分解技術(shù)制備氫氣。10.堿性水溶液電解制氫主要涉及如下反應(yīng)：陽極：4OH- - 4e 2H2O + O2 陰極：2H2O + 2e H2 + 2OH- 總反應(yīng)：2H2O 2H2 + O2 11.法拉第第二定律：當(dāng)一定的電量通過一系列電解質(zhì)溶液時(shí)，電極上析出物質(zhì)的量同它們的電化當(dāng)量成正比，即析出1 mol的任何物質(zhì)都需要96,50

25、0 C電量。12.法拉第第一定律：電極上析出的物質(zhì)的量與通過電解質(zhì)的電量成正比，G(化學(xué)反應(yīng)生成物的量）=Ke（電化當(dāng)量，數(shù)值為化學(xué)當(dāng)量除以法拉第常數(shù)）I（通過的直流電流t（通電時(shí)間）13. 電解電壓（1.752.0V）必須大于水的理論分解電壓（1.23V），以克服電流流過電解池時(shí)產(chǎn)生的各種電阻電壓降和電極極化電位。14. 電解槽按電氣連接方式來分，可分為單極性和雙極性電解槽；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來分，可分為箱式和壓濾式電解槽。單極性電解槽是箱式的；雙極性電解槽可以是箱式的，也可以是壓濾式。單極性電解槽：低電壓、高電流、制造簡單、使用維修、拆卸方便、電解液不用分離、單位電極面積成本低、一個(gè)電極發(fā)生故障不

26、影響整個(gè)電解槽運(yùn)行、體積大、小室電壓高、電解液不能充分循環(huán)、電解槽不能保持一致的溫度、需要很粗的銅線。雙極性電解槽：槽體小、不需要母線、低電流、高電壓、簡化工藝調(diào)節(jié)系統(tǒng)、可在加壓情況下運(yùn)行、設(shè)計(jì)制造復(fù)雜。15.電解槽組成：由若干小室組成、每個(gè)小室主要包括電極（含陽極和陰極）、電解質(zhì)、隔膜。16.以固體聚合物為電解質(zhì)的電解槽有什么特點(diǎn)：相同電壓下電流密度更高、體積小、重量輕、固體聚合物電解質(zhì)性能穩(wěn)定、電極結(jié)構(gòu)簡單，易于確定催化活性的最佳條件、安全可靠、使用方便、有效壽命長。17. 固體聚合物電解質(zhì)電解制氫所面臨的問題及今后研究領(lǐng)域：化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能好、導(dǎo)電性高、價(jià)格便宜的固體聚合物電解質(zhì)，以

27、及不易氫脆、價(jià)格低廉的集電器材料和高效便宜的電催化劑。研究催化活性機(jī)理、催化活性與催化劑幾何形狀的關(guān)系，以及催化劑與環(huán)境之間的反應(yīng)。降低催化電極上貴金屬填充量、減少固體聚合物薄膜厚度、提高電解質(zhì)工作溫度、擴(kuò)大電極有效面積、減小電極之間間隙。18能夠產(chǎn)氫的微生物主要有兩個(gè)類群：光合生物和發(fā)酵細(xì)菌，體內(nèi)存在著特殊的氫代謝系統(tǒng)，其中固氮酶和氫酶發(fā)揮了重要作用。O2對(duì)固氮酶和氫酶的活性均有抑制作用。19.生物制氫有3種方法：光合生物產(chǎn)氫（以水為原料利用光能通過生物體制取氫氣）；發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫；光合生物與發(fā)酵細(xì)菌的混合培養(yǎng)產(chǎn)氫。特點(diǎn)：氫技術(shù)具有清潔、節(jié)能和不消耗礦物資源等突出優(yōu)點(diǎn)。作為一種可再生資源，生物

28、體又能進(jìn)行自身復(fù)制、繁殖，還可以通過光合作用進(jìn)行物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換，這一種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以在常溫、常壓下通過酶的催化作用得到氫氣。20.欲使生物制氫技術(shù)盡快達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平，未來的研究應(yīng)注重以下4個(gè)方面：應(yīng)充分重視對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的研究。尋求菌種培養(yǎng)容易、啟動(dòng)快的方法。利用高濃度有機(jī)廢水制取氫氣，并注重耐酸菌種的選育。 研制可以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的生物制氫反應(yīng)設(shè)備。21.任何光解水的光化學(xué)反應(yīng)都需要光敏化劑（在太陽的波長范圍內(nèi)每吸收一個(gè)光子通常只會(huì)導(dǎo)致一個(gè)電子的轉(zhuǎn)移）。(i) 光敏化劑PS吸收可見光產(chǎn)生受激的具有氧化還原特性的產(chǎn)物PS* 。(ii) 化合物R（在光敏化劑和催化劑之間傳遞電子，協(xié)調(diào)電子

29、的收集）在受激的PS *發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)形成電荷對(duì)PS+和R-，R被還原。(iii) 第三部分化合物能收集電子，并且促進(jìn)和水的電子交換。一些特別的氧化還原催化劑Cat可以用來收集和轉(zhuǎn)移電子。22.光解水技術(shù)研究進(jìn)展緩慢的主要原因在于：(1) 在實(shí)際的應(yīng)用中，捕獲劑必須在經(jīng)過千百次的使用后還能保持原來的活性。(2) 由光捕獲劑激發(fā)的分子必須在溶液中擴(kuò)散，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。(3)需要通過一些特別的手段和方法來降低能量的損失和電荷的復(fù)合。22. 半導(dǎo)體光解水原理TiO2為N型半導(dǎo)體，價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的禁帶寬度為3.0ev左右，當(dāng)其受到能量相當(dāng)或高于禁帶寬度的光照輻射時(shí)，半導(dǎo)體中的電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶

30、，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，水在電子空穴對(duì)作用下電離成H2、O2。23為了進(jìn)行水的光電解反應(yīng)必須滿足的條件：禁帶寬度應(yīng)大于水中氫和氧的化學(xué)勢(shì)之差。光的量子能量應(yīng)大于禁帶寬度。N/P型半導(dǎo)體的平帶電勢(shì)應(yīng)比析氫電位負(fù)（正）。電子空穴的費(fèi)米能級(jí)能達(dá)到析出氫氧的電化學(xué)勢(shì)級(jí)。24. 其它制氫技術(shù)甲醇重整：很高的H/C比(4:1)、低沸點(diǎn)及實(shí)用性。H2S分解制氫：吸收很大的熱量，且轉(zhuǎn)化率很低25. 氫氣的提純當(dāng)流體與多孔固體接觸時(shí)， 流體中某一組分或多個(gè)組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄，此現(xiàn)象稱為吸附。物體把外界的某些物質(zhì)吸到內(nèi)部，物質(zhì)從一種介質(zhì)相進(jìn)入另一種介質(zhì)相的現(xiàn)象。此現(xiàn)象稱為吸收。液化儲(chǔ)氫是一種深冷的液氫貯存技術(shù)。（

31、儲(chǔ)存時(shí)間長、氣體量大、電價(jià)低廉），正氫轉(zhuǎn)化為仲氫是放熱過程，該過程釋放的熱量大于沸點(diǎn)溫度下兩者的蒸發(fā)潛熱，在液氫貯存灌中若存在未轉(zhuǎn)化的正氫，就會(huì)在緩慢的轉(zhuǎn)化過程中釋放熱量，造成液氫的蒸發(fā)（10天50%）。目前氫氣的運(yùn)輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種氫氣儲(chǔ)存可分為物理法和化學(xué)法兩大類。氫氣液化流程中主要包括加壓器、熱交換器、渦輪膨脹機(jī)和節(jié)流閥。最簡單的氣體液化流程為Linde或Joule-Thompson流程，也稱節(jié)流循環(huán)。帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)（克勞特循環(huán)）特點(diǎn)： 絕熱條件下，壓縮氣體經(jīng)膨脹機(jī)（分活塞式和渦輪式）膨脹并對(duì)外做功，可獲得更大的溫降和冷量。無需考慮氫氣的轉(zhuǎn)化溫度（無需預(yù)冷），可一直保持

32、制冷過程。只能對(duì)氣流實(shí)現(xiàn)制冷，不能進(jìn)行冷凝過程（液體會(huì)損壞葉片）。金屬氫化物儲(chǔ)氫： 在室溫和常壓條件下能迅速吸氫并反應(yīng)生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯存起來，在需要的時(shí)候，適當(dāng)加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。液氫儲(chǔ)罐：（容積3800m3）蒸發(fā)損失量與容器表面積和容積的比值(S/V)成正比，因此最佳的儲(chǔ)罐形狀為球形，而且球形儲(chǔ)罐還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即應(yīng)力分布均勻，因此可以達(dá)到很高的機(jī)械強(qiáng)度。唯一的缺點(diǎn)是加工困難，造價(jià)昂貴。絕熱材料：可承重、不可承重且絕熱熱溢原因：液體平均比焓高于飽和溫度下的值、蒸發(fā)損失不均勻，形成不穩(wěn)定層化，氣壓突降。操作壓力低于液氫處于飽和溫度所需壓力。不同儲(chǔ)

33、氫技術(shù)的特點(diǎn)比較：氣態(tài)儲(chǔ)氫：能量密度低，不太安全；液態(tài)儲(chǔ)氫：能耗高，對(duì)儲(chǔ)罐絕熱性能要求高；固態(tài)儲(chǔ)氫優(yōu)勢(shì)：體積能量密度高；無需高壓及隔熱容器；安全性好，無爆炸危險(xiǎn)；可得到高純氫氣，提高氫氣附加值；金屬材料密度大，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。儲(chǔ)氫材料應(yīng)具備的條件：1、容易活化，氫的吸儲(chǔ)量大；2、用于儲(chǔ)氫是生成熱量盡量小，而用于蓄熱是生成熱量盡量打；3、在一個(gè)很寬的組成范圍內(nèi)，應(yīng)具有溫度合適的平衡分解壓（室溫分解壓2-3atm）4、氫吸收和分解過程中的平衡壓差小。5、氫的俘獲和釋放速度快；6、金屬氫化物的有效熱導(dǎo)率大；7、反復(fù)吸、放氫的循環(huán)過程中，合金的粉化小，穩(wěn)定。8、對(duì)不純物如O，N，CO，水等耐中毒能力

34、強(qiáng)；9、價(jià)格低廉。需關(guān)注的影響儲(chǔ)氫材料吸儲(chǔ)能力的因素：活化處理、耐久性和中毒、粉末化、儲(chǔ)氫材料的導(dǎo)熱性、滯后現(xiàn)象和坪域、安全性為了弄清納米結(jié)構(gòu)炭材料是否具有儲(chǔ)氫前景以及什么結(jié)構(gòu)的納米炭材料更適于儲(chǔ)氫，首先需要解決以下幾個(gè)問題：(1)納米結(jié)構(gòu)炭材料儲(chǔ)氫測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化。(2)儲(chǔ)氫用納米結(jié)構(gòu)炭材料的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。(3)儲(chǔ)氫用納米結(jié)構(gòu)炭材料特別是較大直徑單壁碳納米管的制備、純化和改性技術(shù)的研究。(4)納米結(jié)構(gòu)炭材料的儲(chǔ)氫機(jī)制。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程：進(jìn)氣、壓縮、膨脹、排氣。壓縮氫氣可采用高壓氣瓶、拖車或管道輸送，氣瓶和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。氫特點(diǎn)：密度小、擴(kuò)散速度大、混合氣均勻、燃燒速度快、空燃比大、

35、所占體積大、最高火焰溫度高、釋放單位熱量所需燃料體積大、氫燃燒后分子變更系數(shù)減小、氫氣與空氣燃燒范圍寬、著火溫度高、最小點(diǎn)火能量低、燃燒產(chǎn)物含有害成分氮氧化物火焰熄滅距離更短、自燃溫度高泄漏性：氫是最輕的元素，比其他液體或氣體燃料更容易從小孔中泄漏，并且氫的聲速很大，所以泄漏也很快。氫脆：鋼長期暴露在氫氣中，尤其是高溫下，其強(qiáng)度會(huì)大大降低，導(dǎo)致失效。氫氣中含有極性雜質(zhì)，會(huì)強(qiáng)烈的阻止生成氫化物。只有在金屬純度極高且表面潔凈的條件下，放置在不含雜質(zhì)的極純氫氣中，才有利于生成氫化物，發(fā)生氫脆。氫的擴(kuò)散：如果發(fā)生泄漏，氫會(huì)很快擴(kuò)散，氫具有很大的浮力（快速上升）和更大的擴(kuò)散性（橫向移動(dòng)）氫氧混合物燃燒范圍：4%75%爆炸下限：1318.3 上限：59染料敏化電池原理組成：主要由透明導(dǎo)電基片、多孔納米晶薄膜（例如TiO2）、染料敏化劑、電解質(zhì)溶液(含超敏化劑)和對(duì)電極組成。有機(jī)工作原理: 有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。CdTe特性：CdTe是公認(rèn)的高效廉價(jià)的薄膜電池材料。CdTe是