第3章氫能資料課件

第3章氫能第3章氫能第一節(jié)氫的制取第二節(jié)氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)谌?jié)氫的應(yīng)用第四節(jié)氫的安全性第一節(jié)氫的制取二次能源聯(lián)系一次能源和用戶的中間紐帶，可分為“含能體能源”和“過(guò)程性能源”，目前電能是當(dāng)前應(yīng)用最廣的“過(guò)程性能源”。二次能源氫能——新的含能體能源由于目前“過(guò)程性能源”尚不能大量地直接儲(chǔ)存，因此汽車等交通工具只能采用汽油、柴油這一類“含能體能源”。隨著常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)，在開發(fā)新的一次能源（如可燃冰）的同時(shí)，人們將目光也投向?qū)で笮碌摹昂荏w能源”，氫能正是一種值得期待的新型二次能源。已有資料表明，如車用燃料使用20%H2+80%CH4，尾氣中COx（CO與CO2）可降低20%、NOx可降低40%。氫能——新的含能體能源氫能的特點(diǎn)（1）來(lái)源廣自然界存在的氕，其豐度約為氫總量的99.98%。地球上的水儲(chǔ)量為21018萬(wàn)t，是氫取之不盡、用之不竭的重要源泉。（2）燃燒熱值高氫氣的熱值為121061kJ/kg，是甲烷的2.4倍，汽油的2.4倍，乙醇的4.5倍，高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料。氫能的特點(diǎn)（1）來(lái)源廣名稱氫氣甲烷汽油乙醇甲醇燃燒值/kJ·kg-1121,06150,05444,46727,00620,254表3-1幾種物質(zhì)的燃燒值

氫的燃燒熱值高

高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料名稱氫氣甲烷汽油乙醇甲醇燃燒值/kJ·kg-1121,（3）清潔氫本身無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，在空氣中燃燒產(chǎn)生水；（4）燃燒穩(wěn)定性好容易做到比較完善的燃燒，燃燒效率很高。（5）存在形式多氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或者固態(tài)金屬氫化物出現(xiàn)，能適應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的要求。（6）氫是“和平”的能源化石能源分布極不均勻，常常引起激烈的資源爭(zhēng)奪。而氫即可再生來(lái)源又廣，每個(gè)國(guó)家都有著豐富的氫資源，因此可以說(shuō)是“和平”的能源。氫能的特點(diǎn)（3）清潔氫能的特點(diǎn)興登堡號(hào)興登堡號(hào)第3章氫能資料課件氫能的發(fā)展是歷史的必然？

能源利用的趨勢(shì)：高碳→低碳低氫→高氫固態(tài)→氣態(tài)能源氫/碳碳/氫柴薪0.01100

煤炭0.71.43

石油1.80.56

天然氣3.50.29

氫∞0氫能的發(fā)展是歷史的必然？能源利用的趨勢(shì)：氫能發(fā)展史－發(fā)展期上世紀(jì)七十年代爆發(fā)的石油危機(jī)引起了人們對(duì)可持續(xù)能源的重視。1974年，成立了國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA），受石油危機(jī)的影響和啟迪，一些學(xué)者組建了國(guó)際氫能協(xié)會(huì)（InternationalHydrogenEnergyAssociation,IAHE）。IAHE隨后創(chuàng)辦了《國(guó)際氫能雜志》并舉行了兩年一次的世界氫能大會(huì)。氫能發(fā)展史－發(fā)展期上世紀(jì)七十年代爆發(fā)的石油危機(jī)引起了人們對(duì)可氫能發(fā)展史－步入工程探索階段二十世紀(jì)80年代，德國(guó)認(rèn)真地提出HYSOLAR計(jì)劃，它是德國(guó)/沙特在阿拉伯半島的項(xiàng)目，計(jì)劃用沙漠地帶的太陽(yáng)能制氫。改項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)示范了太陽(yáng)發(fā)電和電解的直接結(jié)合，示范功率達(dá)到350kW。德國(guó)還考慮利用加拿大廉價(jià)的水電就地電解水制氫，液化后用船運(yùn)輸液氫到歐洲。氫能發(fā)展史－步入工程探索階段二十世紀(jì)80年代，德國(guó)認(rèn)真地提出氫能發(fā)展史－為科學(xué)家認(rèn)可近年來(lái)燃料電池技術(shù)——低溫的質(zhì)子交換膜燃料電池和高溫的固體氧化物燃料電池——發(fā)展迅速，被廣泛認(rèn)為將成為未來(lái)人類社會(huì)中主要的動(dòng)力來(lái)源，尤其是用于發(fā)電和交通工具方面。而燃料電池最適宜的燃料就是氫。因此，科學(xué)家們預(yù)測(cè)，氫能將與電能一起成為未來(lái)能源體系的兩大支柱。氫能發(fā)展史－為科學(xué)家認(rèn)可近年來(lái)燃料電池技術(shù)——低溫的質(zhì)子交換21世紀(jì)將是“氫經(jīng)濟(jì)（Hydrogeneconomy）”時(shí)代一次能源

二次能源最終用戶

太陽(yáng)能風(fēng)能海洋能地?zé)崮芷嚒w機(jī)、船舶電力氫氣工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民生制氫發(fā)電燃料電池電解水設(shè)想中的21世紀(jì)能源結(jié)構(gòu)體系21世紀(jì)將是“氫經(jīng)濟(jì)（Hydrogeneconomy）”時(shí)美國(guó)能源部DepartmentofEnergy,DOE第一階段（PhaseI）為相關(guān)技術(shù)的研發(fā)階段，并在此基礎(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（PhaseII），氫能初步進(jìn)入市場(chǎng)，便攜式電源和固定/運(yùn)輸系統(tǒng)開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在國(guó)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；進(jìn)入第三階段（PhaseIII）后，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（PhaseIV）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)”。美國(guó)能源部DepartmentofEnergy,DO第3章氫能資料課件已開展的大規(guī)模氫能開發(fā)項(xiàng)目冰島于1999年在其首都雷克雅未克啟動(dòng)了“生態(tài)城市交通系統(tǒng)”（EcologicalCityTransportSystem,ECTOS）計(jì)劃，并為此專門成立了冰島新能源公司（IcelandicNewEnergyLtd.）負(fù)責(zé)實(shí)施該計(jì)劃其總體目標(biāo)是在2030年左右，冰島全境實(shí)現(xiàn)以氫能替代傳統(tǒng)燃料。由于目前冰島所使用的能源主要來(lái)自地?zé)岷退Πl(fā)電，因此主要采用電解水技術(shù)（在加氫站就地）制氫，以燃料電池作為主要?jiǎng)恿υO(shè)備。

已開展的大規(guī)模氫能開發(fā)項(xiàng)目冰島于1999年在其首都雷克雅未克現(xiàn)狀目前全世界每年約生產(chǎn)5000萬(wàn)噸氫氣，主要用于化學(xué)工業(yè)，尤以合成氨和石油加工工業(yè)的用量最大。90%以上的氫氣是以石油、天然氣和煤為原料制取的，北美95％的氫氣產(chǎn)量來(lái)自天然氣蒸汽重整。真正的“氫經(jīng)濟(jì)”距離人們的日常生活還比較遙遠(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。現(xiàn)狀目前全世界每年約生產(chǎn)5000萬(wàn)噸氫氣，主要用于化學(xué)工業(yè)，譬如，就目前而言，只有通過(guò)礦物燃料（主要是天然氣）重整技術(shù)才能獲得相對(duì)廉價(jià)的氫，并非長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)，因而，能否開發(fā)其他真正可持續(xù)發(fā)展的、大規(guī)模的廉價(jià)制氫技術(shù)將成為“氫經(jīng)濟(jì)”能否最終實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在；另外，氫氣以何種方式儲(chǔ)存及輸送最經(jīng)濟(jì)、最合理也是亟待解決的問(wèn)題。譬如，就目前而言，只有通過(guò)礦物燃料（主要是天然氣）重整技術(shù)才3.1氫的制取3.1.1化石燃料制氫3.1.2電解水制氫3.1.3生物及生物質(zhì)制氫3.1.4太陽(yáng)能光解水制氫3.1.5氫氣提純3.1氫的制取3.1.1化石燃料制氫3.1.1化石燃料制氫（1）天然氣制氫（2）煤氣化制氫在“氫經(jīng)濟(jì)”的起始階段，氫主要從礦物燃料中獲得3.1.1化石燃料制氫（1）天然氣制氫在“氫經(jīng)濟(jì)”的起（1）天然氣制氫天然氣制氫甲烷蒸氣重整絕熱預(yù)重整部分氧化自熱重整（1）天然氣制氫天然氣制氫甲烷蒸氣絕熱部分氧化自熱重整（1）甲烷蒸氣重整的原理反應(yīng)甲烷蒸汽重整（SMR）主要反應(yīng)為：CH4+H2O=CO+3H2△H=+49kcal／mol水－氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)：

CO+H2O=CO2+H2△H=-10kcal／mol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=+59kcal／mol上述反應(yīng)均需催化劑的存在，最常用的催化劑是Ni。甲烷還可在氧氣中部分氧化生成合成氣（水煤氣），具體反應(yīng)為：

CH4+1/2O2=CO+2H2△H=-9kcal／mol（1）甲烷蒸氣重整的原理反應(yīng)甲烷蒸汽重整（SMR）主要反應(yīng)為氣體組成由于產(chǎn)物氣的組成強(qiáng)烈依賴于反應(yīng)條件，因此蒸汽重整爐不僅是加熱爐，還是化學(xué)反應(yīng)器。最重要的變量包括：①原料的物性；②入口處H2O/C比值；③出口處溫度；④出口處壓力。原料氣可為任何烴類物質(zhì)，從富氫廢氣或天然氣直至重石腦油均可。某些情況下可通入CO2以節(jié)省原料氣并降低產(chǎn)物中H2/CO比值。傳統(tǒng)上為避免生成C而使用較高的H2O/C比值。對(duì)于天然氣重整來(lái)說(shuō)，通常H2O/C=2.5-3。所以進(jìn)行天然氣重整需大量水蒸汽，二者比值約為10-12tH2O/tH2。壓力升高會(huì)導(dǎo)致很高的甲烷含量，通常會(huì)規(guī)定最高壓力。氣體組成蒸汽重整制氫流程圖蒸汽重整制氫流程圖（2）絕熱預(yù)重整絕熱預(yù)重整主要用于天然氣到重石腦油等沸點(diǎn)高于200℃、芳香烴含量高于30%的烴類物質(zhì)的重整。在預(yù)重整反應(yīng)器中，高級(jí)烴完全轉(zhuǎn)化為CH4、COx、H2和蒸汽。對(duì)含有高級(jí)烴（活性很強(qiáng)）的原料氣來(lái)說(shuō)，若不進(jìn)行預(yù)重整，則極易在催化劑表面形成焦炭，嚴(yán)重影響催化劑的使用壽命。若原料為天然氣，則整個(gè)過(guò)程為吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度下降；若采用石腦油等高級(jí)烴，則整個(gè)過(guò)程放熱或呈熱中性。（2）絕熱預(yù)重整絕熱預(yù)重整主要用于天然氣到重石腦油等沸點(diǎn)高于（3）部分氧化甲烷可在氧氣中部分氧化（partialoxidation,POX）生成合成氣（水煤氣）：

CH4+1/2O2=CO+2H2△H=-9kcal／mol此反應(yīng)使用或不使用催化劑均可（3）部分氧化甲烷可在氧氣中部分氧化（partialoxiPOX是一個(gè)輕放熱反應(yīng)，并且反應(yīng)速率比重整反應(yīng)快1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且生成的CO/H2為1:2，是費(fèi)托過(guò)程制甲醇和高級(jí)醇的理想CO/H2配比；同時(shí)POX可實(shí)現(xiàn)自熱反應(yīng)，無(wú)需外界供熱而可避免使用耐高溫的合金鋼管反應(yīng)器，采用極其廉價(jià)的耐火材料堆砌反應(yīng)器，其裝置投資明顯降低。POX是一個(gè)輕放熱反應(yīng)，并且反應(yīng)速率比重整反應(yīng)快1-2個(gè)數(shù)量（4）自熱重整自熱重整（Autothermalreforming，ATR）是在氧氣內(nèi)部燃燒的反應(yīng)器內(nèi)完成全部烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的過(guò)程。ATR反應(yīng)是結(jié)合SMR和POX的一種新方法，最早出現(xiàn)于1970年代。如上所述，POX是個(gè)放熱反應(yīng)，ATR法是將POX反應(yīng)放出的熱量提供給SMR，既可限制反應(yīng)器內(nèi)的最高溫度又可降低能耗。CH4+H2O=CO+3H2△H=+49kcal／molCH4+1/2O2=CO+2H2△H=-9kcal／mol自熱重整（ATR）反應(yīng)：CH4+xO2+（2-2x）H2O=CO2+（4-2x）H2（4）自熱重整自熱重整（Autothermalreform所謂煤氣化，是指煤與氣化劑在一定的溫度、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(guò)程。煤氣化技術(shù)按氣化前煤炭是否經(jīng)過(guò)開采而分為地面氣化技術(shù)（即將煤放在氣化爐內(nèi)氣化）地下氣化技術(shù)（即讓煤直接在地下煤層中氣化）3.1.2煤氣化所謂煤氣化，是指煤與氣化劑在一定的溫度、壓力等條件下發(fā)生化學(xué)煤氣化的重要意義煤氣化制氫曾經(jīng)是主要的制氫方法，隨著石油工業(yè)的興起，特別是天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)的出現(xiàn)，煤氣化制氫技術(shù)呈現(xiàn)逐步減緩發(fā)展態(tài)勢(shì)。但對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，煤炭資源豐富（我國(guó)是世界上少數(shù)以煤炭為主的國(guó)家之一，1997年我國(guó)的煤炭消費(fèi)占一次能源的73.5%。到2030~2050年，煤在我國(guó)一次能源消費(fèi)中仍將占50%以上），價(jià)格相對(duì)低廉，而天然氣價(jià)格較高，資源儲(chǔ)量并不大，因此對(duì)我國(guó)大規(guī)模制氫并減排CO2而言，煤氣化是一個(gè)重要的途徑。煤氣化的重要意義煤氣化制氫曾經(jīng)是主要的制氫方法，隨著石油工業(yè)根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的報(bào)告，當(dāng)氫氣需求增長(zhǎng)到足以支撐一套大型分銷系統(tǒng)后，煤是建設(shè)大規(guī)模集中型氫工廠的可選原料之一。目前，將煤轉(zhuǎn)換成氫能的商業(yè)化技術(shù)已經(jīng)開發(fā)成功，而且是現(xiàn)有制氫工藝中成本最低的。估計(jì)大規(guī)模集中型工廠的煤制氫成本為$1.3kg-1。但是，煤氣化制氫工藝的CO2排放量高于其他制氫工藝。根據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的報(bào)告，當(dāng)氫氣需求增長(zhǎng)到足以支撐一套大型分煤氣化制氫主要包括三個(gè)過(guò)程，即造氣反應(yīng)、水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)、氫的純化與壓縮。造氣反應(yīng)方程式為：C（s）+H2O（g）→CO（g）+H2（g）△H=+131.2kJ/mol煤氣化反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)所需熱量由碳的氧化反應(yīng)提供。煤氣化制氫主要包括三個(gè)過(guò)程，即造氣反應(yīng)、水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)、氫的地面氣化技術(shù)通常按如下幾種方式進(jìn)一步分類：固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化及熔融床氣化等。地面氣化技術(shù)通常按如下幾種方式進(jìn)一步分類：固定床氣化、流化床煤氣化煤氣凈化H2提純CO變換H2產(chǎn)品氣化劑灰渣副產(chǎn)品硫尾氣水蒸汽副產(chǎn)品CO2煤氣化制氫技術(shù)工藝流程

煤氣化煤氣凈化H2提純CO變換H2產(chǎn)品氣化劑灰渣副產(chǎn)品硫尾氣日本“HyPr-Ring”計(jì)劃中提出的煤制氫系統(tǒng)第一個(gè)循環(huán)為（H2O-H2-H2O），水與煤反應(yīng)產(chǎn)生H2和CO2，H2與O2反應(yīng)生成H2O，并發(fā)電。第二個(gè)循環(huán)是鈣的循環(huán)（CaO-CaCO3-CaO），CaO吸收CO2形成CaCO3，提供水與煤反應(yīng)所需熱量，然后CaCO3再生，生成CaO和CO2。日本“HyPr-Ring”計(jì)劃中提出的煤制氫系統(tǒng)第該循環(huán)所涉及的反應(yīng)為：CO2+CaO=CaCO3△H=-178.8kJ／molC+2H2O+CaO=2H2+CaCO3△H=+88.8kJ／molCaCO3=CO2+CaO△H=+178.8kJ／mol該循環(huán)所涉及的反應(yīng)為：第3章氫能資料課件其要點(diǎn)主要包括①以煤或石油焦或高硫重渣油為原料（后者可以和石化企業(yè)結(jié)合），用純氧或富氧氣化后生成的合成氣（主要成分為CO+H2），通過(guò)高溫凈化可得到純凈元素硫；②合成氣可有多種用途。部分可用作：城市煤氣，分布式熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)；大型發(fā)電（燃料電池或燃?xì)廨啓C(jī)/蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)）；一步法生產(chǎn)甲醇；一步法生產(chǎn)液體燃料（F-T液體燃料，二甲醚）；其他化工產(chǎn)品（合成氨、尿素、烯烴）。另一部分經(jīng)過(guò)水—?dú)廪D(zhuǎn)化反應(yīng)后：通過(guò)氣體分離把H2和CO2分開。H2可用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），主要用于城市交通的車輛，可以達(dá)到零排放，從根本上解決大城市汽車尾氣污染問(wèn)題；長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，H2作為載能體，可作為分布式熱、電、冷聯(lián)供的燃料，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)亓闩欧?。其要點(diǎn)主要包括煤炭地下氣化，就是將地下處于自然狀態(tài)下的煤進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，這一過(guò)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)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。煤的地下氣化技術(shù)同樣被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫的候選技術(shù)之一。（2）煤地下氣化技術(shù)煤炭地下氣化，就是將地下處于自然狀態(tài)下的煤進(jìn)行有控制的燃燒，煤炭地下氣化原理圖煤炭地下氣化原理圖由進(jìn)氣孔鼓入氣化劑，其有效成分是O2和蒸汽。在氧化區(qū)，主要是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。在還原區(qū)，主要反應(yīng)是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。在干餾干燥區(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(guò)量的水蒸氣和CO發(fā)生變換反應(yīng)。由進(jìn)氣孔鼓入氣化劑，其有效成分是O2和蒸汽。經(jīng)過(guò)這3個(gè)反應(yīng)區(qū)后，就形成了含有H2、CO和CH4的煤氣。煤炭地下氣化過(guò)程中氫氣主要來(lái)自三個(gè)方面，即蒸汽分解反應(yīng)，熱解作用和CO變換反應(yīng)。①蒸汽分解反應(yīng)蒸汽分解反應(yīng)主要是高溫碳與蒸汽作用生成CO和H2，其反應(yīng)方程式和焦炭制氫一樣。在地下氣化過(guò)程中，蒸汽的分解反應(yīng)在氧化區(qū)和還原區(qū)均可發(fā)生，但在氧化區(qū)產(chǎn)生的CO和H2

又遇氧燃燒。因此，主要是在還原區(qū)產(chǎn)生H2

。還原區(qū)的溫度一般在600~1000℃之間，其長(zhǎng)度為氧化區(qū)的1.5~2倍，壓力在0.01~0.2MPa之間。經(jīng)過(guò)這3個(gè)反應(yīng)區(qū)后，就形成了含有H2、CO和CH4的煤氣。②熱解作用根據(jù)煤的結(jié)構(gòu)模型可以估計(jì)煤的熱解包括以下4個(gè)步驟：低溫脫除羥基、某些氫化芳香結(jié)構(gòu)的脫氫反應(yīng)、在次甲基橋處分子斷裂及脂環(huán)斷裂。這幾步反應(yīng)受多種因素的影響，如溫度、加熱速率、壓力和顆粒粒度等，其中溫度是影響煤的熱解產(chǎn)物組成的最重要的變量。溫度的影響包括兩個(gè)基本方面，一是對(duì)煤熱解的影響，另一個(gè)是對(duì)揮發(fā)組份二次反應(yīng)的影響。③CO變換反應(yīng)生成的CO再與水蒸氣作用，進(jìn)一步生成H2。反應(yīng)在400℃以上即可發(fā)生，在900℃時(shí)與蒸汽分解反應(yīng)的速率相當(dāng)，高于1480℃時(shí)，其速度很快。②熱解作用水蒸汽-鐵法水蒸汽-鐵法制氫過(guò)程以煤氣化為基礎(chǔ)，先制得合成氣。合成氣再將氧化鐵還原為金屬鐵，金屬鐵再與水蒸汽反應(yīng)生成H2和氧化鐵，然后氧化鐵送去與合成氣反應(yīng)生成金屬鐵，從而完成整個(gè)制氫循環(huán)過(guò)程。由于該過(guò)程氫氣不是由合成氣純化而得，因此煤氣化器中可用空氣作氧化劑。Fe3O4+H2→3FeO+H2OFe3O4+CO→3FeO+CO2FeO+H2→Fe+H2OFeO+CO→Fe+CO2包括4個(gè)部分，即煤氣化、鐵再生、氫生成、氫氣純化。FeO+H2O→Fe3O4+H2

水蒸汽-鐵法3.1.2電解水制氫業(yè)已發(fā)展成熟的制氫方法很多，但在可開發(fā)性方面，卻尚未發(fā)現(xiàn)比水電解法更為優(yōu)越的方法，因而電解水制氫是最有應(yīng)用前景的一種方法，它具有產(chǎn)品純度高、操作簡(jiǎn)便、無(wú)污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化80余年，但其現(xiàn)狀仍很不令人滿意。2002年全球氫氣年產(chǎn)量約為4.1×107t，而采用電解水方法獲得的氫氣不超過(guò)5%。3.1.2電解水制氫業(yè)已發(fā)展成熟的制氫方法很多，但在可開發(fā)工業(yè)水電解的發(fā)展歷史1800年Nicholson與Carlisle發(fā)現(xiàn)電可以分解水的現(xiàn)象1902年世界范圍內(nèi)400多個(gè)工業(yè)電解槽投入使用1927年第一個(gè)大型電解車間投產(chǎn)（10000m3/h）1948年Zdansky/Lonza建立了第一個(gè)加壓電解槽1966年建立了第一個(gè)固體聚合物電解質(zhì)體系1972年發(fā)展了固體氧化物水電解體系1978年開始使用改進(jìn)的堿性介質(zhì)體系工業(yè)水電解的發(fā)展歷史1800年Nicholson與C電解水制氫技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前改革開放后解放后解放前我國(guó)的水電解技術(shù)幾乎一片空白上世紀(jì)六七十年代，中船718成功開發(fā)了加壓水電解制氫裝置船用水電解制氫技術(shù)開始轉(zhuǎn)入民用，各方面得到了進(jìn)一步改進(jìn)目前水電解制氫的市場(chǎng)大約每年有2-3億的產(chǎn)值，水電解產(chǎn)品供不應(yīng)求電解水制氫技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前改革開放后解放后解放前我國(guó)的水電解技電解水制氫的機(jī)理是利用兩個(gè)不起化學(xué)反應(yīng)的電極，用一種無(wú)機(jī)酸或一種堿金屬氫氧化物的水溶液傳導(dǎo)直流電流時(shí)，在陰極生成氫氣，在陽(yáng)極生成氧氣。就目前而言，以堿液為介質(zhì)、采用高壓、高溫方法電解水制氫是已經(jīng)發(fā)展得比較成熟的一種操作簡(jiǎn)單、可以大規(guī)模制氫的方法。但是該方法制取的氫氣僅占全球氫氣總產(chǎn)量的1%~4%。電解水制氫技術(shù)存在的問(wèn)題槽電壓過(guò)高，導(dǎo)致電能消耗增大，進(jìn)而導(dǎo)致成本增加。電解水制氫的機(jī)理電解水制氫目前的三種主要方法：（1）堿性水溶液電解（2）固體聚合物電解質(zhì)水電解（3）高溫水蒸氣電解電解水制氫目前的三種主要方法：（1）堿性水溶液電解堿性水溶液電解制氫主要涉及如下反應(yīng)陽(yáng)極：4OH--4e→2H2O+O2陰極：2H2O+4e→H2+2OH-總反應(yīng)：2H2O→2H2+O2（1）堿性水溶液電解堿性水溶液電解制氫主要涉及如下反應(yīng)電解槽電解槽是電解水制氫裝置的主體設(shè)備，由若干電解小室組成，每個(gè)小室主要包括電極（含陽(yáng)極和陰極）、電解質(zhì)和隔膜。（A）電極特點(diǎn)：必須是電子導(dǎo)體；對(duì)于氫離子或者氫氧離子的放電必須有合適的催化表面；在催化劑與電解質(zhì)之間必須有較大的界面面積；必須有除去氣泡的適當(dāng)方式，以便在電解槽工作電壓條件下，氣泡本身能與電解質(zhì)分離；電極不易腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，成本低。兩級(jí)均采用——鍍鎳鐵板電解槽電解槽是電解水制氫裝置的主體設(shè)備，由若干電解小室組成，（B）電解質(zhì)特點(diǎn)：離子導(dǎo)電性強(qiáng)，不應(yīng)由于施加到電解槽電極的電壓大而發(fā)生分解；起揮發(fā)性不應(yīng)大到足以被析出氣體帶走；由于電極上H+濃度迅速變化，因而它必須具有很強(qiáng)的抗pH值變化的能力；對(duì)電解槽材料的腐蝕性小。強(qiáng)酸（如H2SO4）和強(qiáng)堿（KOH）均符合電解質(zhì)的要求。且H2SO4溶液的導(dǎo)電性能最好，但是采用H2SO4作為電解質(zhì)時(shí)，陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的過(guò)硫酸和臭氧，臭氧對(duì)人體有害，所以通常不選用它，現(xiàn)在絕大部分工業(yè)電解槽都傾向于采用KOH溶液。（B）電解質(zhì)（C）隔膜隔膜的作用是防止電極反應(yīng)產(chǎn)物混合而發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)防止電極相互接觸和短路。實(shí)際上，電解槽基本都是由隔膜分開的陽(yáng)極室和陰極室組成的。既要以抑制傳質(zhì)為主要目的，又要盡可能避免給電流傳導(dǎo)造成障礙，因而隔膜必須采用多孔材料或基質(zhì)制成。（C）隔膜要求（1）允許電解質(zhì)溶液（離子）通過(guò)；（2）隔膜的小孔必須能充滿液體，以防止氣體分子通過(guò)和氣體相互混合；（3）在有H2和O2存在的情況下，隔膜材料不應(yīng)被電解質(zhì)腐蝕，而且在電解槽的運(yùn)行過(guò)程中，在一定的工作溫度和pH值等條件下，必須保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使小孔不致皺縮；（4）隔膜應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，而且電阻盡可能小。（5）價(jià)格低廉，原材料來(lái)源廣等目前使用最廣泛的材料——石棉布要求對(duì)于水電解制氫來(lái)說(shuō)，電價(jià)對(duì)氫氣的價(jià)格起主要作用。為獲得廉價(jià)電力，許多水電解制氫裝置，尤其是大型裝置，都建在水電站附近。例如，埃及阿斯旺的Demay、印度的DeNora和挪威的Norsk-Hydro水電解裝置都建在大型水電站附近。由于成本不具有競(jìng)爭(zhēng)性（與SMR技術(shù)相比），近二十年來(lái)，水電解制氫裝置的發(fā)展趨向小型化，StuartEnergySystems&VandenborreTechnologies、NorskHydro等公司均致力于生產(chǎn)分散式小型電解槽（30~60m3/h、功率130~270kW），主要用于未來(lái)加氫站就地產(chǎn)氫。對(duì)于水電解制氫來(lái)說(shuō)，電價(jià)對(duì)氫氣的價(jià)格起主要作用。（2）固體聚合物電解質(zhì)電解制氫以往的電解槽采用KOH等作為電解質(zhì)，腐蝕性強(qiáng)，經(jīng)常需要維修，使用不便，效率低，制氫費(fèi)用高。以固體聚合物為電解質(zhì)的電解槽主要有以下特點(diǎn)：（1）相同電壓下的電流密度更高，是堿液電解槽的5-10倍，能量效率高，單位產(chǎn)氫量的能耗低；（2）體積小、質(zhì)量輕，高度僅是堿液電解槽的1/3；（3）電解質(zhì)是固體，不需要催化電極支撐電解質(zhì)；（4）固體聚合物電解質(zhì)的性質(zhì)穩(wěn)定，在電解過(guò)程中實(shí)際上不發(fā)生變化，電解槽中無(wú)游離酸或腐蝕性液體，水是唯一需要的液體，既用于電解，也用作冷卻，安全可靠。（2）固體聚合物電解質(zhì)電解制氫以往的電解槽采用KOH等作為電以固體聚合物為電解質(zhì)的電解槽，主要由電解質(zhì)、催化電極和集電器組成。電解質(zhì)是一種粗糙、柔韌的全氟磺酸聚合物薄膜，當(dāng)用水飽和時(shí)，電阻小，易于傳導(dǎo)氫離子，這種離子交換膜具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電阻低；②對(duì)陽(yáng)離子和非離子化分子具有選擇透過(guò)性；③良好的力學(xué)和化學(xué)性能。在固體聚合物電解質(zhì)中，水合氫離子的遷移使離子具有導(dǎo)電性，這些離子從一個(gè)磺酸基團(tuán)向另一個(gè)磺酸基團(tuán)移動(dòng)，并通過(guò)固體聚合物電解質(zhì)薄膜，由于磺酸基團(tuán)是固定的，從而保持電解質(zhì)的濃度恒定。以固體聚合物為電解質(zhì)的電解槽，主要由電解質(zhì)、催化電極和集電器這種固體聚合物薄膜主要有以下特點(diǎn)：（1）電解質(zhì)薄膜有效地起到了阻擋層的作用，防止氣體產(chǎn)物混合，有利于安全，而且確保氣體純度高；（2）電解槽能在高壓差條件下工作，輸出的氣體壓力高；（3）電解質(zhì)是固體，不流動(dòng)，能保持恒定；（4）電解質(zhì)穩(wěn)定，電解過(guò)程中實(shí)際上不發(fā)生變化；（5）無(wú)腐蝕性液體，廢氣中不含酸性物質(zhì)。這種固體聚合物薄膜最大的問(wèn)題——生產(chǎn)成本過(guò)高。這種固體聚合物薄膜主要有以下特點(diǎn)：（3）高溫水蒸氣電解制氫高溫水蒸氣電解是水電解制氫的另一種方法，它把穩(wěn)定的ZrO2等作為傳導(dǎo)O2-的電解質(zhì)，在900℃以上，使水蒸氣電解。優(yōu)點(diǎn)：將分解水需要的部分電能以熱能的形式提供，由于直接使用熱能，不經(jīng)過(guò)熱能-電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程，能量利用效率有所提高。電極反應(yīng)過(guò)程如下：陽(yáng)極：O2-→1/2O2+2e-陰極：H2O+2e-

→H2+O2-（3）高溫水蒸氣電解制氫高溫水蒸氣電解是水電解制氫的另一種方100℃時(shí)生產(chǎn)1kgH2能量消耗為350MJ；若溫度升至850℃，此數(shù)值可降至225MJ。高溫水蒸氣電解最適合與核電站配套使用，主要原因在于核反應(yīng)堆產(chǎn)生的部分熱量可用于生產(chǎn)水蒸汽。若將核反應(yīng)堆與水蒸汽電解裝置聯(lián)合使用，熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到40%~50%，同時(shí)可避免使用其他水電解設(shè)備帶來(lái)的化學(xué)和腐蝕問(wèn)題。100℃時(shí)生產(chǎn)1kgH2能量消耗為350MJ；若溫度升與傳統(tǒng)的化學(xué)制氫方法相比，生物制氫具有無(wú)污染、可再生和不消耗寶貴的礦物資源的突出優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)光合作用進(jìn)行物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換，可以在常溫常壓下通過(guò)酶催化作用得到氫氣。按培養(yǎng)條件：光合生物制氫（藻類、光合細(xì)菌）、發(fā)酵細(xì)菌制氫（固氮作用等）、光合生物和發(fā)酵細(xì)菌聯(lián)合培養(yǎng)制氫。

按產(chǎn)氫機(jī)制：光裂解制氫；光發(fā)酵制氫、暗發(fā)酵制氫；3.1.3生物及生物質(zhì)制氫與傳統(tǒng)的化學(xué)制氫方法相比，生物制氫具有無(wú)污染、可再生和不消耗生物制氫研究發(fā)展歷程100多年前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在微生物作用下，通過(guò)蟻酸鈣的發(fā)酵可以從水中制取氫氣。1931年，Stephenson發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌中的氫酶可以催化氫氣與氫離子的可逆反應(yīng)。1937年，Nakamura發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌能在黑暗中放氫。生物制氫研究發(fā)展歷程100多年前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在微生物作用下，1942年，Gaffron和Rubin發(fā)現(xiàn)海藻－柵藻能通過(guò)光合作用放出氫氣。1949年，Gest等研究證明深紅紅螺菌在有機(jī)碳的存在下可以放出氫氣1976年，孫國(guó)超等分離出了產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫時(shí)間都較可觀的產(chǎn)氫菌。1984年，日本的Miyake等篩選出了平均產(chǎn)氫率達(dá)18.4mL/h·mg的非硫光合細(xì)菌。1942年，Gaffron和Rubin發(fā)現(xiàn)海藻－柵藻能通過(guò)光微生物產(chǎn)氫的關(guān)鍵因素－產(chǎn)氫酶產(chǎn)氫過(guò)程中能夠使質(zhì)子還原為氫氣的酶有固氮酶和氫酶兩種。微生物產(chǎn)氫的關(guān)鍵因素－產(chǎn)氫酶產(chǎn)氫過(guò)程中能夠使質(zhì)子還原為氫氣的固氮酶是種多功能的氧化還原酶，主要成分是鉬鐵蛋白和鐵蛋白，存在于能夠發(fā)生固氮作用的原核生物中，能催化還原氮?dú)獬砂保瑲錃庾鳛楦碑a(chǎn)物產(chǎn)生。N2+8e-+8H++16ATP→2NH4+H2+16ADP+16Pi固氮酶是種多功能的氧化還原酶，主要成分是鉬鐵蛋白和鐵蛋白，存氫酶是一種多酶復(fù)合物，存在于原核和真核生物中，其主要成分是鐵硫蛋白，是微生物體內(nèi)調(diào)節(jié)氫代謝的活性蛋白。氫酶又可以分為吸氫酶、可逆性氫酶。氫酶在微生物中主要功能是吸收固氮酶產(chǎn)生的氫氣。可逆性氫酶的吸氫過(guò)程是可逆的，吸氫酶的吸氫過(guò)程是不可逆的。因此從產(chǎn)氫需求出發(fā)，常構(gòu)建吸氫酶基因缺陷的突變體以增加產(chǎn)氫的速率。2H++2e-

→H2O2對(duì)固氮酶和氫酶的活性均有抑制作用。氫酶是一種多酶復(fù)合物，存在于原核和真核生物中，其主要成分是鐵（1）光合生物產(chǎn)氫（2）發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫（3）光合生物與發(fā)酵細(xì)菌混合培養(yǎng)產(chǎn)氫生物制氫的3種方法（1）光合生物產(chǎn)氫生物制氫的3種方法光合細(xì)菌產(chǎn)氫從長(zhǎng)遠(yuǎn)和戰(zhàn)略的角度來(lái)看，以水為原料利用光能通過(guò)生物體制取氫氣是最有前途的方法。目前研究較多的產(chǎn)氫光合細(xì)菌主要有深紅紅螺菌、紅假單胞菌、類球紅細(xì)菌等。光合細(xì)菌產(chǎn)氫機(jī)制光子被捕獲到光合作用單位后，其能量被送到光合反應(yīng)中心，進(jìn)行電荷分離，產(chǎn)生高能電子，并造成質(zhì)子梯度，從而合成ATP，產(chǎn)生的高能電子從鐵氧還原蛋白Fd通過(guò)Fd-NADP+還原酶?jìng)髦罭ADP+形成NADPH，固氮酶利用ATP和NADPH進(jìn)行H+還原，生成H2。光合細(xì)菌產(chǎn)氫從長(zhǎng)遠(yuǎn)和戰(zhàn)略的角度來(lái)看，以水為原料利用光能通過(guò)生鐵氧還蛋白（Fd）和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶（FNR）都是存在類囊體膜表面的蛋白質(zhì)。FNR中含1分子的黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），依靠核黃素的氧化還原來(lái)傳遞H+。因其與Fd結(jié)合在一起，所以稱Fd-NADP＋還原酶。FNR是光合電子傳遞鏈的末端氧化酶，接收Fd傳來(lái)的電子和基質(zhì)中的H＋，還原NADP＋為NADPH，反應(yīng)式可用下式表示：

2Fd還原+NADP＋+H＋FNR2Fd氧化

+NADPH鐵氧還蛋白（Fd）和鐵氧還蛋白-NADP＋還原酶（FNR）都光合細(xì)菌以還原硫化物或者有機(jī)物作為電子供體，并且在光合過(guò)程中不產(chǎn)生O2。一般而言，光合細(xì)菌產(chǎn)氫需要充足的光照和嚴(yán)格的厭氧條件，但是也有試驗(yàn)顯示，光合細(xì)菌還能在暗條件下放H2。例如，紫色非硫細(xì)菌在暗條件下發(fā)酵時(shí)，能依靠丙酮酸-甲酸裂解酶系統(tǒng)代謝丙酮酸而放H2。光合細(xì)菌以還原硫化物或者有機(jī)物作為電子供體，并且在光合過(guò)程中藻類產(chǎn)氫許多藻類（如綠藻、紅藻、褐藻等）能進(jìn)行氫代謝，目前研究比較多的主要是綠藻。這些藻類屬于真核生物，不含固氮酶，氫代謝全部由氫酶調(diào)節(jié)。放氫途徑（1）葡萄糖等底物經(jīng)分解代謝產(chǎn)生還原劑作為電子供體電子供體—PSI—Fd—?dú)涿竿瑫r(shí)放出CO2。（2）生物光解水產(chǎn)生H2H2O—PSII—PSI—Fd—?dú)涿浮狧2同時(shí)放出O2。藻類產(chǎn)氫許多藻類（如綠藻、紅藻、褐藻等）能進(jìn)行氫代謝，目前研生物光水解產(chǎn)氫牽涉到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的利用，其原料水和太陽(yáng)能來(lái)源十分豐富且價(jià)格低廉，是一種理想的制氫方法。但是，水分解產(chǎn)生的O2會(huì)抑制氫酶的活性，并促進(jìn)吸氫反應(yīng)，這是生物光解水制氫中必須解決的問(wèn)題。利用光合細(xì)菌和藻類相互協(xié)同作用發(fā)酵產(chǎn)氫可以簡(jiǎn)化對(duì)生物質(zhì)的熱處理，降低成本，增加氫氣產(chǎn)量。對(duì)于光合生物產(chǎn)氫技術(shù)來(lái)說(shuō)，能夠充分利用太陽(yáng)光是很重要的問(wèn)題。生物光水解產(chǎn)氫牽涉到太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的利用，其原料水和太陽(yáng)能來(lái)發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫與光合細(xì)菌一樣，發(fā)酵細(xì)菌也能利用多種底物在固氮酶或者氫酶的作用下，將底物分解制取氫氣。它們利用光能將有機(jī)物分解，產(chǎn)生氫離子和高能電子。產(chǎn)氫酶再利用這些中間產(chǎn)物和ATP來(lái)產(chǎn)生氫氣。這些底物包括：甲酸、丙酮酸和各種短鏈脂肪酸等有機(jī)物、硫化物、淀粉纖維素等糖類。這些原料廣泛地存在于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高濃度有機(jī)廢水和人畜糞便中。利用這些廢棄物制取氫氣，在得到能源的同時(shí)還起到保護(hù)環(huán)境的作用。發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫與光合細(xì)菌一樣，發(fā)酵細(xì)菌也能利用多種底物在固氮酶甲酸裂解產(chǎn)氫甲酸裂解產(chǎn)氫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)氫作用丙酸CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+CO2+3H2丁酸CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2乙醇CH3CH2OH+2H2OCH3COOH+CO2+2H2乳酸CH3CHOHCOOH+H2OCH3COOH+CO2+H2發(fā)酵法制氫的優(yōu)勢(shì)①發(fā)酵法生物制氫技術(shù)的產(chǎn)氫穩(wěn)定性好；②制氫成本低；③發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌的產(chǎn)氫能力較高；

④發(fā)酵細(xì)菌的生長(zhǎng)速率快。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)氫作用丙酸CH3CH2COOH+2H光合生物與發(fā)酵細(xì)菌混合培養(yǎng)產(chǎn)氫光合生物與發(fā)酵型細(xì)菌可利用的底物在工業(yè)有機(jī)廢水和城市垃圾中大量存在，因此，生物制氫技術(shù)的發(fā)展對(duì)廢物的利用以及環(huán)境建設(shè)都會(huì)有很大的促進(jìn)作用。由于不同菌體利用底物的高度特異性，其所分解的底物成分是不同的，要實(shí)現(xiàn)底物的徹底分解處理并制取大量的H2，應(yīng)考慮不同菌體的共同培養(yǎng)。在菌體培養(yǎng)方面，微生物細(xì)胞經(jīng)過(guò)固定化后，其產(chǎn)氫酶系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，連續(xù)產(chǎn)氫能力增加。光合生物與發(fā)酵細(xì)菌混合培養(yǎng)產(chǎn)氫光合生物與發(fā)酵型細(xì)菌可利用的底生物制氫未來(lái)的研究重點(diǎn)充分重視對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的研究；利用能自固定的、產(chǎn)氫能力較高的厭氧活性污泥混合菌種，并尋求菌種培養(yǎng)容易、啟動(dòng)快的方法，來(lái)降低運(yùn)行及管理費(fèi)用；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。生物制氫未來(lái)的研究重點(diǎn)充分重視對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫微生物的研究；生物質(zhì)制氫生物質(zhì)是指所有通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能生長(zhǎng)的有機(jī)物，包括高等植物、農(nóng)作物及秸稈、藻類及水生植物等。每年地球上生產(chǎn)的生物質(zhì)總量為（1.4~1.8）×1012t，含能約為3×1021J，其中H元素質(zhì)量占6%，相當(dāng)于每克生物質(zhì)可產(chǎn)生0.672m3H2，占生物質(zhì)總能量的40%以上。與礦物燃料比，生物質(zhì)揮發(fā)分高，炭火性強(qiáng)，S、N含量低，灰分小，燃燒時(shí)對(duì)環(huán)境污染小，喻為綠色煤炭。生物質(zhì)制氫方法包括：生物轉(zhuǎn)化制氫法和生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法。生物質(zhì)制氫生物質(zhì)是指所有通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能生長(zhǎng)的有機(jī)物，3.1.4太陽(yáng)能光解水制氫

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源，每年照到地球表面的太陽(yáng)能相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10000倍，因此利用太陽(yáng)能光解水制氫是利用太陽(yáng)能的最好方法之一。

自1972年日本東京大學(xué)Fujishima和Honda兩位教授首次報(bào)導(dǎo)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象后，揭示了利用太陽(yáng)能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽(yáng)能光解水制氫的研究道路。隨著電極電解水向半導(dǎo)體光催化分解水制氫的多相光催化的演變和TiO2以外的光催化劑的相繼發(fā)現(xiàn)，興起了以光催化方法分解水制氫（簡(jiǎn)稱光解水）的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進(jìn)展。3.1.4太陽(yáng)能光解水制氫太陽(yáng)能是一純水只能吸收太陽(yáng)能輻射中能量很低的紅外部分，不能引起任何光化學(xué)反應(yīng)，因此任何光解水的光化學(xué)反應(yīng)都需要光敏化劑，即需要某種分子或者半導(dǎo)體吸收太陽(yáng)能以進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣。過(guò)程如下：（1）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*PSPS*（2）化合物R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PS*+RPS++R-hv純水只能吸收太陽(yáng)能輻射中能量很低的紅外部分，不能引起任何光化（3）還原態(tài)的R-與H+在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成H2。2R-+2H+2R+2H2催化劑（3）還原態(tài)的R-與H+在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，生成H2。半導(dǎo)體材料在受到能量相當(dāng)于或高于催化劑半導(dǎo)體的禁帶寬度的光輻照時(shí)，晶體內(nèi)的電子受激從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別形成自由電子e-和空穴，水在這種電子-空穴對(duì)的作用下發(fā)生電離，生成H2

和O2

。半導(dǎo)體光催化半導(dǎo)體材料在受到能量相當(dāng)于或高于催化劑半導(dǎo)混合系統(tǒng)是將吸收光子的光敏化劑吸附在半導(dǎo)體上，擴(kuò)展了半導(dǎo)體吸收太陽(yáng)光波長(zhǎng)的范圍。同樣，也有報(bào)道將葉綠素應(yīng)用于光化學(xué)電池的電解質(zhì)中，或者將它們吸附在電池電極上。但目前還沒(méi)有能夠發(fā)現(xiàn)高效率的“光能→氫能”轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)是將吸收光子的光敏化劑吸附在半導(dǎo)體上，3.1.5熱化學(xué)分解水制氫若壓力固定為0.05bar，則溫度為2000K時(shí)水基本不分解；若提高至2500K，可以有25%的水發(fā)生分解；若能升至2800K，水的分解率可高達(dá)55%。要達(dá)到如此高的溫度，顯然利用太陽(yáng)能是最為經(jīng)濟(jì)合理的辦法。水的熱分解與溫度及壓力的關(guān)系曲線3.1.5熱化學(xué)分解水制氫若壓力固定為0.05bar，則溫3.1.6氫氣的提純無(wú)論采用哪種原料制備氫氣，都只能得到含氫的混合氣體，需要進(jìn)一步提純和精制，以得到高純氫。氫氣提純方法較多，但有些方法不適宜用來(lái)制備高純氫，如膜分離法，所得產(chǎn)品純度低，無(wú)法達(dá)到高純氫純度要求。一些常用的氫氣提純精制方法，如冷凝法、低溫吸收法，單獨(dú)使用時(shí)凈化所得產(chǎn)品難以達(dá)到要求。目前，用于精制高純氫的方法主要有：冷凝－低溫吸附法、低溫吸收－吸附法、變壓吸附法、鈀膜擴(kuò)散法、金屬氫化物法以及這些方法的聯(lián)合使用。3.1.6氫氣的提純無(wú)論采用哪種原料制（1）冷凝－低溫吸附法純化分兩步進(jìn)行：首先，采用低溫冷凝法進(jìn)行預(yù)處理，除去雜質(zhì)水和二氧化碳等，需在不同溫度下進(jìn)行二次或多次冷凝分離。再采用低溫吸附法精制，經(jīng)預(yù)冷后的氫進(jìn)入吸附塔，在液氮蒸發(fā)溫度（-196℃）下，用吸附劑除去各種雜質(zhì)。如可用活性氧化鋁進(jìn)一步除去微量水，分子篩吸附除O2，除N2，硅膠除CO、N2、Ar，活性炭除CH4等等。吸附劑用加熱H2再生。工藝多采用兩個(gè)吸附塔交替操作。凈化后H2純度達(dá)99.999~99.9999%。（1）冷凝－低溫吸附法純化分兩步進(jìn)行：首先，采用低溫冷純化仍需分兩步進(jìn)行：首先，根據(jù)原料氫中雜質(zhì)的種類，選用適宜的吸收劑，如甲烷、丙烷、乙烯、丙烯等，在低溫下循環(huán)吸收和解吸氫中雜質(zhì)。例如可用液體甲烷在低溫下吸收CO等雜質(zhì)，然后用丙烷吸收其中的CH4，可得到99.99%的H2。然后，再經(jīng)低溫吸附法，用吸附劑除去其中微量雜質(zhì)，制得純度為99.999~99.9999%的高純氫。（2）低溫吸收—吸附法純化仍需分兩步進(jìn)行：首先，根據(jù)原料氫中雜質(zhì)的種類，選用適宜的變壓吸附是利用氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化的原理，通過(guò)周期性的壓力變化過(guò)程實(shí)現(xiàn)氣體的分離。由于PSA技術(shù)具有能耗低，產(chǎn)品純度高，工藝流程簡(jiǎn)單，預(yù)處理要求低，操作方便、可靠，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在氣體分離領(lǐng)域得到廣泛使用。PSA法制氫，可用各種氣源為原料，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，產(chǎn)品純度可以在99~99.999%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。（3）變壓吸附法（PSA法）變壓吸附是利用氣體組分在吸附劑上吸附特性的差異以及吸附量隨壓利用鈀合金膜在一定溫度（400~500℃），只能使H2透過(guò)，其它雜質(zhì)氣體不能滲透的特性，使H2得到純化。這種方法對(duì)原料氣中O2和水的要求很高。O2在鈀合金膜會(huì)產(chǎn)生氫氧催化反應(yīng)而造成鈀合金局部過(guò)熱，水又會(huì)使鈀合金發(fā)生氧化中毒。所以，原料氣需先透過(guò)預(yù)純化器除去O2和水，再經(jīng)過(guò)濾器除塵后，才能送入鈀合金擴(kuò)散室純化，得到H2的純度可達(dá)99.9999%。（4）鈀膜擴(kuò)散法利用鈀合金膜在一定溫度（400~500℃），只能使H2透過(guò)，金屬氫化物精制和貯存氫是一項(xiàng)新技術(shù)，正在研究和發(fā)展中。利用貯氫合金對(duì)氫進(jìn)行選擇性化學(xué)吸收，生成金屬氫化物，氫中雜質(zhì)則濃縮于氫化物之外隨廢氫排出，氫化物再發(fā)生分解反應(yīng)放出氫，使氫得到純化。氫氣進(jìn)入氫合金純化器之前通常需先進(jìn)行預(yù)處理，以除去大部分O2、CO、H2O等雜質(zhì)。純化裝置通常由數(shù)個(gè)純化器聯(lián)合操作，連續(xù)得到高純氫，純度可達(dá)99.9999%以上。金屬氫化物在反復(fù)吸氫、放氫過(guò)程中會(huì)逐漸粉化，因此還必須在生產(chǎn)裝置終端裝有高效過(guò)濾器以除去粉塵。（5）金屬氫化物分離法金屬氫化物精制和貯存氫是一項(xiàng)新技術(shù)，正在研究和發(fā)展中。利用貯3.2氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸3.2.1液化儲(chǔ)氫3.2.2壓縮氫氣儲(chǔ)存3.2.3金屬氫化物儲(chǔ)氫3.2.4其他方式儲(chǔ)氫3.2.5氫的運(yùn)輸3.2氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸3.2.1液化儲(chǔ)氫氫能的儲(chǔ)存與輸運(yùn)是氫能應(yīng)用的前提。但氫氣無(wú)論以氣態(tài)還是液態(tài)形式存在，密度都非常低，氣態(tài)時(shí)為0.08988g/L（約為空氣的7%），液態(tài)（-253℃）時(shí)為70.8g/L（約為水的7%）。燃料氣態(tài)（20℃、1atm）液態(tài)（沸點(diǎn)、1atm）絕對(duì)值

/kg·m-3相對(duì)于氫絕對(duì)值

/kg·m-3相對(duì)于氫氫氣0.091.0070.81.0甲烷0.658.13422.86.0汽油4.455.0700.09.9幾種常用燃料的氣態(tài)和液態(tài)下的密度氫能的儲(chǔ)存與輸運(yùn)是氫能應(yīng)用的前提。燃料氣態(tài)（20℃、1a氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃（4~75%）、易爆（13~59%），這就為儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的困難。當(dāng)氫作為一種燃料時(shí)，具有分散性和間歇性使用的特點(diǎn)，因此必須解決儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題。儲(chǔ)氫和輸氫技術(shù)要求能量密度大（包含單位體積和質(zhì)量?jī)?chǔ)存的氫含量大）、能耗少、安全性高。當(dāng)作為車載燃料使用（如燃料電池動(dòng)力汽車）時(shí)，應(yīng)符合車載狀況所需要求。一般來(lái)說(shuō)，汽車行駛400km需消耗汽油24kg，而以氫氣為燃料則只需要8kg（內(nèi)燃機(jī)，效率25%）或4kg（燃料電池，效率50-60%）。氫在一般條件下以氣態(tài)形式存在，且易燃（4~75%）、易爆（1總體說(shuō)來(lái)，氫氣儲(chǔ)存可分為物理法和化學(xué)法兩大類。物理儲(chǔ)存方法主要包括液氫儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、活性炭吸附儲(chǔ)存、碳纖維和碳納米管儲(chǔ)存、玻璃微球儲(chǔ)存、地下巖洞儲(chǔ)存等?；瘜W(xué)儲(chǔ)存方法有金屬氫化物儲(chǔ)存、有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)存、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)存等。氫氣的輸運(yùn)與氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，目前氫氣的運(yùn)輸方式主要包括壓縮氫氣和液氫兩種，金屬氫化物儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫等技術(shù)尚有待成熟?？傮w說(shuō)來(lái)，氫氣儲(chǔ)存可分為物理法和化學(xué)法兩大類。3.2.1液化儲(chǔ)氫

液化儲(chǔ)氫是一種深冷的液氫儲(chǔ)存技術(shù)。氫氣經(jīng)過(guò)壓縮后，深冷到21K以下使之變?yōu)橐簹?，然后?chǔ)存到特制的絕熱真空容器中。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。3.2.1液化儲(chǔ)氫液化儲(chǔ)氫是一種深冷第3章氫能資料課件

液氫氣化是液氫儲(chǔ)存技術(shù)必須解決的問(wèn)題，若不采取措施，液氫儲(chǔ)罐內(nèi)達(dá)到一定壓力后，減壓閥會(huì)自動(dòng)開啟，導(dǎo)致氫氣泄露。由于蒸發(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。另外球形儲(chǔ)罐還有一個(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，但缺點(diǎn)是加工困難且造價(jià)昂貴。液氫氣化是液氫儲(chǔ)存技術(shù)必須解決的問(wèn)題，若不

目前經(jīng)常使用的為圓柱形容器，對(duì)于公路運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，直徑通常不超過(guò)2.44m，與球形儲(chǔ)罐相比，其S/V值僅增大10%。由于蒸發(fā)損失量與容器表面積和容積的比值（S/V）成正比，因此儲(chǔ)罐的容積越大，液氫的蒸發(fā)損失量就越小。如對(duì)于雙層絕熱真空球形儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，當(dāng)容積為50m3時(shí)，蒸發(fā)損失量為0.3%~0.5%；容積為1000m3時(shí)，蒸發(fā)損失量為0.2%；容積為19000m3時(shí)，蒸發(fā)損失量可降至為0.06%.目前經(jīng)常使用的為圓柱形容器，對(duì)于公路運(yùn)由于儲(chǔ)罐各部位的溫度不同，液氫儲(chǔ)罐中會(huì)出現(xiàn)層化現(xiàn)象，即由于對(duì)流作用，溫度高的液氫集中于儲(chǔ)罐的上部，溫度低的沉到下部，這樣，儲(chǔ)罐上部的蒸汽壓力增大，下部幾乎無(wú)變化，導(dǎo)致罐體所承受的壓力不均勻，因此，在儲(chǔ)存過(guò)程中必須將這部分氫氣排出，以保證安全。由于儲(chǔ)罐各部位的溫度不同，液氫儲(chǔ)罐中會(huì)液態(tài)氫儲(chǔ)存液態(tài)氫儲(chǔ)存液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車照片液氫儲(chǔ)罐實(shí)際產(chǎn)品及裝配汽車照片3.2.2壓縮氫氣儲(chǔ)存

采用壓縮氣體的方法是最簡(jiǎn)單的氫氣儲(chǔ)存方法，由于現(xiàn)在大量使用加壓電解槽，因此，無(wú)需消耗過(guò)多能量，即可實(shí)現(xiàn)氫氣的加壓儲(chǔ)存。隨著壓力的升高，氫氣的儲(chǔ)存密度增大。常用壓縮機(jī)主要有離心式、輻射式和往復(fù)活塞式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)的氫氣處理量為6400~89000kg/h；輻射式壓縮機(jī)的氫氣處理量為22000kg/h；往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的氫氣處理量為890kg/h。3.2.2壓縮氫氣儲(chǔ)存采用壓縮氣體的

壓縮氣體可分為低壓、中壓和高壓三種。低壓氫氣常用于氣象氣球或袋裝儲(chǔ)存。中壓容器開始主要用于空氣和丙烷的儲(chǔ)存，常用壓力為1.7MPa，用于氫氣儲(chǔ)存的壓力僅為0.41~0.86MPa。與低壓容器相比，中壓容器尺寸更小，分量更重。高壓儲(chǔ)氫是密度最大的氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，壓力范圍為14~40MPa。壓縮氣體可分為低壓、中壓和高壓三種。總體說(shuō)來(lái)，高壓儲(chǔ)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，外部包裹飽和樹脂纖維的容器；（3）不可承重的金屬材料作襯里，外部包裹飽和樹脂纖維的容器；（4）不可承重的非金屬材料作襯里，外部包裹飽和樹脂纖維的容器?？傮w說(shuō)來(lái)，高壓儲(chǔ)氫容器可分為四類，即高壓氫氣儲(chǔ)存高壓氫氣儲(chǔ)存該裝置一次可儲(chǔ)氫3.1kg，裝配于GM的HydroGen3汽車上，行駛里程為170英里。美國(guó)QUANTUM公司開發(fā)的第4類車用壓力儲(chǔ)氫裝置該裝置一次可儲(chǔ)氫3.1kg，裝配于GM的HydroGen33.2.3金屬氫化物儲(chǔ)氫

把氫以金屬氫化物的形式儲(chǔ)存在合金中，是近30年來(lái)新發(fā)展的技術(shù)。這類合金大都屬于金屬間化合物，制備方法一直沿用制造普通合金的技術(shù)。這類技術(shù)有一種特性，當(dāng)把它們?cè)谝欢囟群蛪毫ο缕刂迷跉錃夥罩袝r(shí)，就可以吸收大量的氫氣，生成金屬氫化物。生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣，利用這一特性就可以有效地儲(chǔ)氫。金屬氫化物儲(chǔ)氫比液氫儲(chǔ)存和高壓儲(chǔ)氫更安全，并且有很高的儲(chǔ)存容量。下表列出了一些金屬氫化物的儲(chǔ)氫能力。3.2.3金屬氫化物儲(chǔ)氫把氫以金屬氫儲(chǔ)氫介質(zhì)氫原子密度1022個(gè)/cm3儲(chǔ)氫相對(duì)密度含氫量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣0.0054—100氫氣鋼瓶（15MPa）0.81150100-253℃液氫4.2778100LaNi5H66.211481.37FeTiH1.955.710561.85MgNiH45.610373.6MgH26.612227.65儲(chǔ)氫介質(zhì)氫原子密度儲(chǔ)氫相對(duì)密度含氫量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)

由上表可以看出，有些金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1000倍，與液氫相當(dāng)，甚至超過(guò)液氫。但由于成本問(wèn)題，金屬氫化物儲(chǔ)氫僅適用于少量氣體儲(chǔ)存。目前世界上已經(jīng)成功研制出多種儲(chǔ)氫合金，大致可以分為以下四類：（1）稀土鑭鎳系，典型代表是LaNi5，可用通式AB5表示。該類合金的最大特點(diǎn)是活化容易，平臺(tái)壓力適中且平坦，吸氫/放氫平衡壓差小，動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)良及抗雜質(zhì)氣體中毒性能較好。（2）鈦鐵系，典型代表是TiFe。TiFe價(jià)格低廉，在室溫下能可逆地吸收和釋放氫，但是TiFe容易被氧化、成分不均勻時(shí)儲(chǔ)氫能力明顯下降、活化困難以及抗雜質(zhì)氣體中毒性能較差。由上表可以看出，有些金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度是（3）鎂系，典型代表是Mg2Ni，該類合金的特點(diǎn)是儲(chǔ)氫容量高（按Mg2NiH4計(jì)算，理論容量近1000mA·h/g）、資源豐富以及價(jià)格低廉。但其缺點(diǎn)是，放氫需要在相對(duì)較高的溫度下進(jìn)行，一般為250~300℃，且放氫動(dòng)力學(xué)性能較差。（4）鈦/鋯系，典型代表是ZrMn2。AB2型儲(chǔ)氫合金具有儲(chǔ)氫容量高（理論容量為482mA·h/g）、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前新型高容量?jī)?chǔ)氫電極合金的研究和開發(fā)熱點(diǎn)。（3）鎂系，典型代表是Mg2Ni，該類合金的特點(diǎn)是儲(chǔ)氫容量高配位氫化物儲(chǔ)氫物理吸附儲(chǔ)氫有機(jī)物儲(chǔ)氫玻璃微球儲(chǔ)氫地下儲(chǔ)氫3.2.4其他方式儲(chǔ)氫配位氫化物儲(chǔ)氫3.2.4其他方式儲(chǔ)氫各種儲(chǔ)氫技術(shù)的比較儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)不足壓力容器儲(chǔ)存200atm以下技術(shù)完全成熟；使用廣泛；成本低200atm時(shí)儲(chǔ)氫量少；高壓（700atm）下能量密度可與液氫媲美，但低于汽油和煤油；高壓儲(chǔ)存技術(shù)仍在發(fā)展中液氫儲(chǔ)罐技術(shù)完全成熟；儲(chǔ)氫密度大需要極好的絕熱容器以維持低溫；成本高；有蒸發(fā)損失；生產(chǎn)過(guò)程耗能較高；能量密度低于液體化石燃料金屬氫化物儲(chǔ)氫某些技術(shù)已得到應(yīng)用；固態(tài)儲(chǔ)存；無(wú)外形限制；熱效應(yīng)可加以利用；安全性高重量大；性能隨時(shí)間退化；目前階段價(jià)格昂貴；加氫時(shí)需冷卻循環(huán)過(guò)程碳材料儲(chǔ)氫可以有很高的儲(chǔ)存密度；質(zhì)輕；價(jià)廉處于研發(fā)階段；未充分證明其可行性各種儲(chǔ)氫技術(shù)的比較儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)不足壓力容器儲(chǔ)存200atm壓縮氫氣的運(yùn)輸壓縮氫氣可采用高壓氣瓶或管道輸送，氣瓶和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。與天然氣管道輸送相比，氫氣的管道輸送成本要高出50％，主要原因是壓縮含能量相同的氫氣所需要的能量是天然氣的3.5倍?，F(xiàn)有天然氣管道可以被改裝成輸氫管道，但需要采取措施預(yù)防氫脆所帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題。3.2.5氫的運(yùn)輸壓縮氫氣的運(yùn)輸3.2.5氫的運(yùn)輸液態(tài)氫氣的運(yùn)輸運(yùn)輸液態(tài)氫氣最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高（1輛拖車運(yùn)載的液氫相當(dāng)于20輛拖車運(yùn)輸?shù)膲嚎s氫氣），適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸（在不適合鋪設(shè)管道的情況下）。若氫氣產(chǎn)量達(dá)到450kg/h、儲(chǔ)存時(shí)間為1天、運(yùn)輸距離超過(guò)160km，則采用液氫的方式運(yùn)輸成本最低，金屬氫化物運(yùn)輸方式也很有競(jìng)爭(zhēng)力。但運(yùn)輸距離若達(dá)到1600km，液氫運(yùn)輸?shù)某杀究杀冉饘贇浠锏?倍，比壓縮氫氣低7倍。未來(lái)的液氫運(yùn)輸方式還可能包括管道運(yùn)輸，輸送管道還可以包含超導(dǎo)電線，在輸送液氫的同時(shí)，還可以無(wú)損耗地傳輸電力。液態(tài)氫氣的運(yùn)輸氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用氫在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用氫在燃料電池中的應(yīng)用3.3氫的應(yīng)用氫在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用3.3氫的應(yīng)用目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，此外Ni-MH電池在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于未來(lái)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)。普遍認(rèn)為，燃料電池是未來(lái)人類社會(huì)最主要的發(fā)電及動(dòng)力設(shè)備。氫的應(yīng)用概述目前氫氣的主要用途是在石化、冶金等工業(yè)中作為重要原料，此外N燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介及技術(shù)現(xiàn)狀燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）重量輕、體積小、投資省。燃?xì)廨啓C(jī)的重量及所占的容積一般只有汽輪機(jī)裝置或內(nèi)燃機(jī)的幾分之一或幾十分之一，消耗材料少，投資費(fèi)用低，建設(shè)周期短。（2）起動(dòng)快、操作方便。從冷態(tài)起動(dòng)到滿載只需幾十秒或幾十分鐘，而汽輪機(jī)裝置或大功率內(nèi)燃機(jī)則需幾分鐘到幾小時(shí)；同時(shí)由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔助設(shè)備少，運(yùn)行時(shí)操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控，自動(dòng)化程度可以超過(guò)汽輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。（3）水、電、潤(rùn)滑油消耗少，只需少量的冷卻水或不用水，因此可以在缺水地區(qū)運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介及技術(shù)現(xiàn)狀燃?xì)廨啓C(jī)是一種外燃機(jī)。與內(nèi)燃機(jī)和汽輪最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖。它包括三個(gè)主要部件：燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量采用燃?xì)廨啓C(jī)：（1）航空領(lǐng)域。由于燃?xì)廨啓C(jī)小而輕，起動(dòng)快，馬力大，因此在航空領(lǐng)域中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。（2）艦船領(lǐng)域。目前燃?xì)廨啓C(jī)已在高速水面艦艇、水翼艇、氣墊船等中占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，在巡航機(jī)、特種艦船中得到了批量采用，海上鉆采石油平臺(tái)也廣泛采用燃?xì)廨啓C(jī)。（3）陸上領(lǐng)域。在發(fā)電方面，燃?xì)廨啓C(jī)主要用于尖峰負(fù)荷應(yīng)急發(fā)電站和移動(dòng)式電站。燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，目前在以下幾個(gè)領(lǐng)域已大量由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低COx、NOx、煙塵等污染物的排放量。在現(xiàn)代社會(huì)中，很大一部分能源通過(guò)火力發(fā)電、被轉(zhuǎn)化成電能，因此發(fā)電廠是最大的污染源之一，必須對(duì)發(fā)電設(shè)備加以必要的改進(jìn)。出于降低NOx排放量的目的，目前氫主要是以富氫燃?xì)猓ǜ粴涮烊粴饣蚝铣蓺猓┑男问綉?yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)于純氫作為燃料氣的報(bào)道很少。由于空氣質(zhì)量不斷下降，各國(guó)均認(rèn)識(shí)到必需降低COx、NOx、煙內(nèi)燃機(jī)包括汽油機(jī)和柴油機(jī)，是應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)。氫氣在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用吸氣沖程進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)，汽油和空氣混合物進(jìn)入氣缸。壓縮沖程進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，汽油與空氣混合物被壓縮。把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。內(nèi)燃機(jī)包括汽油機(jī)和柴油機(jī)，是應(yīng)用最廣泛的熱機(jī)。氫氣在內(nèi)燃機(jī)做功沖程壓縮沖程結(jié)束時(shí)，火花塞產(chǎn)生電火花，使燃料猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的氣體。高溫高壓氣體推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外做功。四個(gè)沖程中只有做功沖程對(duì)外做功，其他三個(gè)沖程都是靠做功沖程的慣性完成的。把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。排氣沖程進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞向上運(yùn)動(dòng)，把廢氣排出氣缸。做功沖程目前汽車的能源消耗占世界能源總消耗的1/4。汽車的傳統(tǒng)燃料——石油將會(huì)嚴(yán)重短缺。對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性的研究（1）從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，提高動(dòng)機(jī)效率；（2）改變發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料——其中使用氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的技術(shù)發(fā)展很快。目前汽車的能源消耗占世界能源總消耗的1/4。供氫系統(tǒng)車用氫燃料供給系統(tǒng)分為三類：（1）汽化噴射（2）進(jìn)氣管噴射（3）直接噴射。氫-空氣混合氣形成方式（1）氫與空氣在室溫下混合（2）低溫氫氣混合供氫系統(tǒng)氫氣作為添加燃料的應(yīng)用（1）汽/柴油摻氫目前實(shí)際應(yīng)用較多的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，是將氫與氣化的汽油或柴油混合在燃用，氫在燃料中占30~85%。（2）天然氣摻氫天然氣的主要成分是甲烷，含量為85~99%。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的非甲烷碳?xì)浠衔锉绕蜋C(jī)低，但是甲烷的含量則高。天然氣摻氫后，采用