氫能與燃料電池技術(shù) 課件 1-概述；2-氫氣性質(zhì)

氫能與燃料電池Hydrogeneconomy教材2《氫氣的儲存與運(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（儲存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）的一種未來的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)想，是20世紀(jì)70年代美國應(yīng)對石油危機(jī)提出的。美國在1990年就通過了氫能研究與發(fā)展、示范法案，美國能源部(DOE)就此啟動了一系列氫能研究項(xiàng)目。特別在小布什出任美國總統(tǒng)期間，美國政府大力推動了“氫經(jīng)濟(jì)”，氫能被認(rèn)為是未來美國能源的發(fā)展方向，美國應(yīng)當(dāng)走以氫能為能源基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路。電動汽車2MiraiTesla動力系統(tǒng)燃料電池鎳氫電池儲氫罐鋰離子電池電機(jī)燃料電池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh動力系統(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充能時間3~5分鐘8小時（標(biāo)準(zhǔn)充）價(jià)格(US$)57,50079,900豐田MiraiTeslaModelSvs燃料電池汽車被認(rèn)為是全電動汽車的終極選擇人類使用的能量載體來自何處？答案是：植物原始人生食-鉆木取火伐木燒制木炭2人在休息時消耗的平均能量0.1kW對于勞動者來說，需要0.1kW的能量用于工作0.4kW人類和動物對植物的消耗并沒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人類第一次擁有了一臺非生物機(jī)器，可以消耗碳或碳?xì)浠衔铮葱杼峁C(jī)械動力。這開啟了工業(yè)革命，從而徹底改變了社會，特別是需求越來越多的能源。蒸汽機(jī),1712ThomasNewcomen

能源來自于哪里？煤炭，太陽能在地殼中儲存了數(shù)百萬年碳,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20億人沒有消耗任何化石燃料儲量有限，根據(jù)能耗外推預(yù)測：能源需求量將很快超過能源供應(yīng)量上世紀(jì)人口×4能源需求×24

能源消耗美國: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)爭化石燃料的需求也對各國之間的社會、政治和經(jīng)濟(jì)往來產(chǎn)生了重大的影響。這是促使人類尋求一種不依賴化石燃料(而選擇可無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%/年碳儲量和碳交換率溫室效應(yīng)2植物不能實(shí)時吸收所有額外釋放的二氧化碳CO2導(dǎo)致的溫室效應(yīng)會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去42萬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)上升對未來的氣候有哪些影響？溫室效應(yīng)2目前我們正處于太陽活動較弱的時期，平均地表溫度理應(yīng)下降然而100年來，地球溫度持續(xù)上升在過去10年中，觀察到平均溫度異常急劇增加這是有必要開發(fā)一種不含碳（零排放）的新能源載體的另一個重要原因。2人類為什么有必要開發(fā)一種不含碳（零排放）的新能源載體？請查閱文獻(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社會發(fā)展/生活水平有著巨大的影響GNP(國民生產(chǎn)總值)人均消耗的能量人均能源消耗低的國家的國民生產(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)來源很大程度上來自于化石能源化石燃料-大自然賦予人類的能量載體2能量載體的兩種類型I：可逆儲能系統(tǒng)：

用機(jī)械能或電能的形式充能(儲能)/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)/限制在每個原子1至2eV飛輪II：不可逆儲能系統(tǒng)

系統(tǒng)通過還原化合物來儲存能量→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)：通過大氣運(yùn)輸、儲氧和揮發(fā)性產(chǎn)物,具有相當(dāng)高的能量存儲密度缺點(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型22氫應(yīng)該成為未來的能源載體考慮到人類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)該成為未來的能源載體氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個閉環(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)幾個過程是產(chǎn)氫的氫能社會可選擇的能量來源有哪些？氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個閉環(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)幾個過程是產(chǎn)氫的氫能社會可選擇的能量來源有哪些？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)堆中核素的開采和對裂變反應(yīng)產(chǎn)物的處理所限在地殼中儲存的高濃度的裂變原料有限，且僅能滿足全球能源的需求不超過100年可能的能源2地球上的自然裂變使地表擁有一定的熱量，在冰島等特殊國家或地區(qū)使用地?zé)崮茏鳛橹饕茉慈欢?，對潛在的地?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，一次能源的唯一來源是H2的核聚變兩種選擇:地球上的核聚變/地球外（太陽）的核聚變地球上的核聚變：人為控制

，在極高溫下集中供能

而釋放大量能量僅在氫彈中實(shí)現(xiàn)未來：和平地利用聚變作為主要能源；但由于大量技術(shù)問題，

聚變還不能實(shí)現(xiàn)利用（ITER項(xiàng)目）可能的能源2可能的能源通過振蕩的方式，太陽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人類面臨的挑戰(zhàn)--通過以下方式轉(zhuǎn)換能量和使能量集中水力發(fā)電風(fēng)能太陽能電池板生物質(zhì)能2可能的能源例如，通過光電轉(zhuǎn)換測算：太陽常數(shù)1.369kWm-2＆~50％太陽光輻射到達(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廣場（700km×700km）2挪威卑爾根，北歐21:45,Aug4,2012氫的循環(huán)利用2來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為電能例如：光伏電池來自可再生能源的電力→水的電解O2→大氣H2→儲存→運(yùn)輸→分銷2H2+O2→2H2O+能量(燃燒)

能量=熱量+做功

水/蒸氣→大氣

由此完成一個氫的循環(huán)2復(fù)習(xí)題請?jiān)敿?xì)描述如何完成一個氫循環(huán)的閉合過程。電解水2電解水—技術(shù)成熟，已市場化，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)時產(chǎn)氫、安全/方便地儲存、運(yùn)輸，以及提高H2燃燒的效率，要滿足全世界對能源的需求，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程（制氫、調(diào)質(zhì)、運(yùn)輸、分銷、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)是基于自然界儲存了數(shù)百萬年的免費(fèi)能源購買化石燃料的價(jià)格低—僅僅支付了開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)被說服為太陽能轉(zhuǎn)化為燃料買單2新能源太陽能氫能核能生物質(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（儲存、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化）的一種未來的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)想，是20世紀(jì)70年代美國應(yīng)對石油危機(jī)提出的。美國在1990年就通過了氫能研究與發(fā)展、示范法案，美國能源部(DOE)就此啟動了一系列氫能研究項(xiàng)目。特別在小布什出任美國總統(tǒng)期間，美國政府大力推動了“氫經(jīng)濟(jì)”，氫能被認(rèn)為是未來美國能源的發(fā)展方向，美國應(yīng)當(dāng)走以氫能為能源基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路。電動汽車2MiraiTesla動力系統(tǒng)燃料電池鎳氫電池儲氫罐鋰離子電池電機(jī)燃料電池功率113kW1.6kWh2(70MPa)85kWh動力系統(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充能時間3~5分鐘8小時（標(biāo)準(zhǔn)充）價(jià)格(US$)57,50079,900豐田MiraiTeslaModelSvs燃料電池汽車被認(rèn)為是全電動汽車的終極選擇2污染和地區(qū)不穩(wěn)定性油船起火原油泄漏中東戰(zhàn)爭化石燃料的需求也對各國之間的社會、政治和經(jīng)濟(jì)互動產(chǎn)生了重大的影響。這是促使人類尋求一種不依賴化石燃料(而選擇可無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%/年碳儲量和碳交換率氫的循環(huán)利用2在氫循環(huán)中，太陽能發(fā)電用于電解水以制氫，然后儲存和燃燒氫氣，最后氫返回水中，進(jìn)入下一個閉環(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)幾個過程是產(chǎn)氫的氫能社會可選擇的能量來源有哪些？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)時產(chǎn)氫、安全/方便地儲存、運(yùn)輸，以及提高H2燃燒的效率，要滿足全世界對能源的需求，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程（制氫、調(diào)質(zhì)、運(yùn)輸、分銷、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)是基于自然界儲存了數(shù)百萬年的免費(fèi)能源購買化石燃料的價(jià)格低—僅僅支付了開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)被說服為太陽能轉(zhuǎn)化為燃料買單2討論題以2014年底豐田未來Mirai氫燃料電池車正式商業(yè)化為標(biāo)志，世界正式步入氫經(jīng)濟(jì)建設(shè)初期。請查閱資料，評述各國禁油令和發(fā)展氫能的政策措施對經(jīng)濟(jì)的影響。2.氫能發(fā)展史2氫的歷史時間表簡介興登堡和挑戰(zhàn)者災(zāi)難HenryCavendishhydrogencarhydrogenbomb2.1氫的歷史時間表2JanBaptistavanHelmont2.1氫的歷史時間表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”中時會產(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德國化學(xué)家GeorgErnstStahl燃素理論2他證明有不同類型的空氣，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。對于易燃空氣，基于希臘語“hydor”提出了“氫”這個詞，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“伏打電池”，它是現(xiàn)代燃料電池的雛形。

伏打電池儲氫技術(shù)2T.Graham報(bào)道，鈀金屬可以通過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)冷卻成為第一個使用靜態(tài)液化氫的人。麥格納斯太爾和寶馬開發(fā)的液氫罐系統(tǒng)金屬氫化物2儲氫技術(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。

氚熒光1935年，Oliphant，Harteck和LordRutherford合成了“超重氫”，H3，氚。氫原子結(jié)構(gòu)氫從制備到應(yīng)用的過程2合成氨水原油天然氣氫從制備到應(yīng)用的過程2水原油天然氣氫作為能量載體氫從制備到應(yīng)用的過程2水原油天然氣氫敏感Pd-MOS結(jié)構(gòu)

鎳氫電池H2氫調(diào)光鏡

熱泵氫氣在交通領(lǐng)域的應(yīng)用2氫氣球

波音燃料電池驗(yàn)證機(jī)火箭Apollomoonflights汽車豐田普銳斯Mirai22.2HindenburgandChallenger空難1937年5月6日19時25分，德國“興登堡齊柏林飛艇”起火，不到一分鐘就被徹底摧毀。1986年1月28日上午11:38（美國東部時間）由于氫氣罐爆炸，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)被完全摧毀。TheHindenburgdisastersChallengerDisaster2興登堡事件

1937年5月6日,興登堡號飛艇在一場災(zāi)難性事故中被大火焚毀興登堡號空難是德國歷史上一起慘烈的空難事件2“挑戰(zhàn)者”號事件

1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)在升空73秒后爆炸復(fù)習(xí)及討論21.興登堡號飛艇和挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)上使用的氫分別起什么作用？其物理狀態(tài)分別是什么？2.兩起空難中，采用的儲氫方法是不同的，一個是液氫儲存，另一個是氣態(tài)氫儲存。

請查閱資料，討論這兩種儲氫方式的主要問題分別是什么？2.氫的性質(zhì)2.1氫氣氫的豐度及同位素2重氫宇宙中氫(含同位素)占比（質(zhì)量比）木星的組成同位素占比（原子比）太陽的結(jié)構(gòu)(氫氣:71.3%)豐富的氫資源宇宙中的物質(zhì)，＞90%（原子比）或70%（質(zhì)量比）由氫組成2氫的同位素有：氕、氘和氚。氫同位素示意圖:氕(H)、氘(D)和氚(T)氫的同位素氫同位素的原子數(shù)據(jù)CASNo.1H[12385-13-6]2D[16873-17-9]3T[15086-10-9]原子質(zhì)量[u]1.0078252.01403.01605天然儲量[%]99.9850.015≈10-18半衰期[yr]12.26電離能[eV]13.598913.602513.6038熱中子俘獲截面[10-24cm2]0.3220.51×10-3<6×10-6核自旋[h/2π]+1/2+1+1/2核磁矩，核磁子[μN(yùn)]+2.79285+0.857442.978962.2氫分子2單重態(tài)分子具有的最小質(zhì)子-質(zhì)子分離能為0.74611?

可以通過對氫原子施加強(qiáng)磁場來抑制分子的形成當(dāng)氫原子數(shù)量相等，且電子自旋方向相反時，很容易成對結(jié)合形成單重態(tài)(總電子自旋等于零的狀態(tài)）分子。具有相同的電子自旋狀態(tài)2正氫仲氫單重態(tài)氫分子有兩種狀態(tài):

即正氫(對稱的,具有平行的核自旋↑↑)

與仲氫(反對稱,具有反平行核自旋↑↓)正氫和仲氫2平衡組分e-H2中仲氫(p-H2)的量隨溫度的變化曲線25%75%293.15K50%50%77K仲氫正氫正氫

仲氫(自轉(zhuǎn)化是一個激活的過程，非常緩慢)正氫和仲氫的轉(zhuǎn)換99.8%21.2K2.2.1物理性質(zhì)2氫的平衡相圖在零壓附近,氫形成hcp結(jié)構(gòu)固溶體在高壓下,單原子金屬相&導(dǎo)體2晶體結(jié)構(gòu)晶體(a)與非晶體(b)的微觀結(jié)構(gòu)2（斜方）立方，F(xiàn)e單質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)菱方，As2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)六方，Cd2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)單斜2（斜方）晶體結(jié)構(gòu)三斜，K2CrO72.2.2氫相圖2氫的平衡相圖在零壓附近,氫形成hcp結(jié)構(gòu)固溶體在高壓下,單原子金屬相&導(dǎo)體2.2.3氫氣的狀態(tài)方程2真實(shí)氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程p·V=n·R·T在真實(shí)的氣體中，分子占據(jù)一定的體積&存在范德華力相互作用（2）（1）

22.2.4狀態(tài)方程真實(shí)氣體的吉布斯自由能：理想氣體的吉布斯自由能：G(p,T)=G(p0,T)+n·R·Tln(p/p0)（3）（4）22.2.4狀態(tài)方程逸度系數(shù)φ定義為φ=f/p且與標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)p0無關(guān)(p0=1.013×105Pa)

（5）（6）（7）2.2.5

焦耳-湯姆遜效應(yīng)，反轉(zhuǎn)曲線2焦耳-湯姆遜效應(yīng)它描述了氣體或液體與外界絕緣（不與環(huán)境發(fā)生熱交換），并被強(qiáng)行通過閥門或多孔塞時發(fā)生溫度變化的現(xiàn)象。2焦耳-湯姆遜(開爾文)系數(shù)(理想氣體μ=0)在壓力為p=0.1MPa(實(shí)線)與p=10MPa(虛線)下范德瓦爾斯近似下H2的焦耳-湯姆遜系數(shù)通常通過將氣體在一個特殊區(qū)域內(nèi)節(jié)流,使氣體發(fā)生冷卻,以便隨后液化該氣體2反轉(zhuǎn)曲線n-氫的反轉(zhuǎn)曲線（實(shí)線）及采用氫氣的臨界壓力pk=1.325MPa和臨界溫度Tk=33.19K計(jì)算擬合的反轉(zhuǎn)曲線（虛線）。當(dāng)熱焓不變時，在任何氣體的溫度-壓力曲線上，曲線各點(diǎn)的壓力降低對溫度沒有影響被稱為氣體的反轉(zhuǎn)曲線。所以反轉(zhuǎn)曲線有簡單的形式μ=0.2焦耳-湯姆孫效應(yīng)和反轉(zhuǎn)溫度真實(shí)氣體（相對理想氣體而言）在等焓環(huán)境下自由膨漲，溫度會上升或下降（是哪方看初始溫度而定）。對于給定壓力，真實(shí)氣體有一個焦耳-湯姆孫反轉(zhuǎn)溫度，高于溫度時氣體溫度會上升，低于時氣體溫度下降，剛好在這溫度時氣體溫度不變。(1)溫度上升：當(dāng)分子碰撞，勢能暫時轉(zhuǎn)換成動能，溫度隨之上升。(2)溫度下降：當(dāng)氣體膨脹，分子之間的平均距離增大。因?yàn)榉肿娱g吸引力，氣

體的勢能上升。因?yàn)樵撨^程為等熵過程，系統(tǒng)的總能量守恒，所以勢能上升

必然會讓動能下降，因此溫度下降。高于轉(zhuǎn)化溫度時，前者的影響更顯著；低于轉(zhuǎn)化溫度時，后者的影響更顯著。2.2.6氫的化學(xué)性質(zhì)及擴(kuò)散2氫的擴(kuò)散能力氫由于尺寸小(r=0.53?)及質(zhì)量小(原子量:1.008)是擴(kuò)散能力最強(qiáng)的元素。擴(kuò)散氛圍D(cm2S-1)T(℃)N20.6740O20.7010H2(自擴(kuò)散)1.2850H2O,蒸汽0.759100H2O,

液體4.8x10-525鑄鐵,熔煉5.64x10-31600Al,熔煉1.28x10-5960Palladium5.0x10-725Vanadium5.0x10-525表4.10氫在典型氣體(p=101.3kPa)、液體和固體中的擴(kuò)散系數(shù)21.貢獻(xiàn)價(jià)電子后形成氫離子H+2.接受一個電子形成氫化物離子H?3.與其它原子共用電子，形成一對共價(jià)鍵X-H4.與所有原子共享一個電子形成金屬鍵H0氫的化學(xué)性質(zhì)取決于四種化學(xué)過程與不同元素形成的氫化物及其電負(fù)性2電負(fù)性,符號

χ,是描述原子或官能團(tuán)有吸引電子(或電子密度)靠近自身的傾向的化學(xué)性質(zhì)。2化學(xué)反應(yīng)氫化物的種類2各種氫化物氫化物鹽或離子氫化物(堿金屬和堿土金屬)共價(jià)氫化物(通常是硼、鋁、硅、鍺和錫的氫化物)金屬氫化物（ZrH2,PdH,VH,VH2）復(fù)雜氫化物：離子鍵+共價(jià)鍵氫鍵（紅外光譜和核磁共振光譜）2氫鍵是極性分子間的電磁吸引相互作用，其中氫(H)與一個電負(fù)性很強(qiáng)的原子結(jié)合,例如氮(N),氧(O)或氟(F).（4–40kJmol?1）效應(yīng)更高的沸點(diǎn)~同系化合物更高的汽化熱~同系化合物結(jié)晶水合物的形成&(HF)n聚合物的鋸齒形結(jié)構(gòu)NH3,H2O,HFPH3,H2S,HClVS2氫鍵的一些特殊性質(zhì)第一，氫鍵對水的密度有影響第二，氫鍵可以影響某些無機(jī)酸的強(qiáng)度第三，能形成分子間氫鍵的化合物，還有較大的介電常數(shù)第四，氫鍵的形成對化合物的溶解度有影響2原子氫反應(yīng)的電離勢水系2課后復(fù)習(xí)題1.什么是焦耳-湯姆遜效應(yīng)？什么是反轉(zhuǎn)曲線？如何冷卻氣體？2.氫的化學(xué)特性主要取決于那些化學(xué)過程?22.2.7點(diǎn)火與爆炸特性溫度對氫在空氣中燃燒極限的影響(壓力100kPa)三組分體系氫-空氣-水蒸氣的易燃性和爆燃性極限：(a)42℃,100kPa;(b)167℃,100kPa,(c)167℃,800kPa.燃燒限對氫來說異常寬，氫的室溫可燃性極限在純氧中是4.65–93.9vol%氫氣,而氘在純氧中是5.0–95vol%2與氣態(tài)甲烷相比氫氣的體積泄漏量將是甲烷氣體泄漏量的1.3-2.8倍，大約是相同條件下空氣泄漏量的4倍(規(guī)則:“空氣密封不是氫氣密封”).VS天然氣2三種燃料的比較化學(xué)計(jì)量2.2.7.1火災(zāi)隱患2氫氣的燃燒特性(i)氫與空氣的混合速度快，燃燒速率高,火焰?zhèn)鞑ニ俣纫部?(ii)氫的上浮速率高，(iii)液氫的蒸氣生成率高。氫起火的持續(xù)時間僅為碳?xì)浠衔锘馂?zāi)的1/10-1/5，火災(zāi)造成的損害也較輕。22.2.7.2爆炸的危險(xiǎn)氫的高層流式燃燒速度以及高層流火焰速度其使過渡到湍流火焰速度極易超過800m·s?1到數(shù)km·s?1。

因此,氫氣相較于碳?xì)浠衔飳Ρ嫉奖ㄞD(zhuǎn)變(DDT)更敏感。氫氣爆炸極限福島第一核電站,2011.03.122.3氫氣與固體表面的相互作用22.3.1引子固體的表面效應(yīng)來源于兩個方面：表面的本征特性H與表面的相互作用特征固體表面的分層特性污染層吸附層氧化層過渡層基材H與表面的相互作用22.3.2氫作用下的固體表面效應(yīng)、現(xiàn)象和模型H與表面的相互作用氫氣在清潔金屬表面及在基材內(nèi)吸熱與放熱溶解、活化與未活化的化學(xué)吸附作用的勢能圖。在表面下存在亞表面氫層，有最小值2氫與表面的相互作用遠(yuǎn)離表面的兩條曲線被解離熱ED=218kJ(molH)?1分開接近金屬表面的氫分子與金屬的第一次相互作用是由范德華力形成的物理吸附(EPhys≈?5kJ(molH)?1).2氫與表面的相互作用離表面較近的氫分子必須克服一個能量障礙，完成活化過程，才能離解成氫原子，并最終形成氫金屬鍵。氫原子與表面金屬原子共用電子，稱為化學(xué)吸附。(EChem≈?50kJ(molH)?1)2氫與表面的相互作用下一步，化學(xué)吸附的H原子穿透金屬表面，并以放熱或吸熱的方式在基體內(nèi)擴(kuò)散、溶解和吸收，氫化物新相可能在基體中成核并生長。無論是在金屬基體還是在表面，氫金屬鍵本質(zhì)上都是電子的。2.3.3氫吸附的影響因素和氫脆2H吸附結(jié)構(gòu)電子特性/磁性化學(xué)動力學(xué)H吸附的影響因素氫脆的產(chǎn)生機(jī)制反應(yīng)機(jī)制始于氫原子在金屬中的擴(kuò)散。高溫下,升高的氫氣溶解度允許氫氣擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部。當(dāng)這些高能的氫原子重新組合，在金屬基體的微小孔洞中形成氫分子,從而使它們所在的孔洞內(nèi)產(chǎn)生氣體壓力。這種壓力增加，最終導(dǎo)致破壞性裂紋?？锥礆錃馀輾浯嗄p碎片22.4.1介紹

氫的四種化學(xué)態(tài)1.分子氫2.質(zhì)子/氫離子3.原子氫4.氫化物/氫負(fù)離子2.4氫的四種化學(xué)態(tài)及其特征和屬性2.4.2四種化學(xué)態(tài)的氫相互轉(zhuǎn)化和應(yīng)用22.4.3分子氫

(H2:雙原子氫)2陽極由鉑基催化劑組成.它首先在表面作為吸氫材料將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。H2→2H。→2H++2e?2.4.4質(zhì)子(H+:氫離子)2氫離子在化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)中經(jīng)常出現(xiàn)。典型應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池電解質(zhì)子通常存在于酸溶液與H3O+（水合氫離子）中。H3O+

?

H+

+

H2O2H+

+

2e?

→

H2

22.4.5氕(H?:單原子氫)氕獨(dú)立存在:高電流密度電弧中，低壓放電管中,或在高溫下通過紫外線照射的氫氣中。氕可以在材料內(nèi)部以可逆的方式存儲...然后氕被釋放...在鑭鎳合金中:

LaNi5+3H2?LaNi5H6?LaNi5

·

6(H?)1.4wt%在鐵鈦合金中:

FeTi+H2?FeTiH2?FeTi·2(H?)1.9wt%arcsdischargetubeultravioletirradiationMetalhydride22.4.6氫負(fù)離子(H?:氫化物離子)氫負(fù)離子不能獨(dú)立存在,但存在于堿和堿土金屬的二元?dú)浠?鹽)，如NaH,CaH2,MgH2和三元?dú)?金屬復(fù)雜化合物，如LiAlH4和NaAlH4中NaBH4是唯一可控的催化水解制氫材料。NaBH4以硼氫化物離子(BH4?)的形式存在于NaOH水溶液中。22.4.7氫化物應(yīng)用的新領(lǐng)域4.4.7.1可控實(shí)時制氫技術(shù)4.4.7.2硼氫化物燃料電池原型（0.45KgH2）美國聯(lián)合技術(shù)研究中心發(fā)布

NaBH4→Na++BH4?→Na++B3+

·4(H?)(在堿性溶液中)

（1）B3+

·4(H?)+2H2