氫能上傳版教材

氫能報(bào)告大會(huì)中科院氫能研究所二〇一五年十二月H--21世紀(jì)的綠色能源目錄一、氫能概述二、氫氣的制備方法三、氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸四、氫能的應(yīng)用技術(shù)五、氫能利用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)主講：一、氫能概述1、氫氣與氧反應(yīng)放出的能量就是氫能H2+1/2O2=H2O+285.83kj氫氣的燃燒熱值為121061kj/kg，高于所有化石燃料和生物質(zhì)燃料。2、氫能是能源歷史的必然氫成為永恒的能源的原因：氫的資源豐富------氫可從水中提取氫是十分環(huán)保的能源------氫燃燒只生成水氫能具有可儲(chǔ)存性------這點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電和熱氫能的可再生性------氫可由生成的水中提取氫是安全的能源------氫氣泄漏后立即升空，不會(huì)滯留在地表氫的資源豐富-------------水是地球的主要資源，地球70%被水覆蓋

氫來(lái)源的豐富性-------也可以從化石能源以及生物質(zhì)能氫是最環(huán)保的能源—---排放物只有水氫氣具有可儲(chǔ)存性—---是區(qū)別于電和熱的主要標(biāo)志氫的可再生性—-------生成水可以繼續(xù)由水再產(chǎn)生氫是和平的能源-------各個(gè)國(guó)家都有豐富的水氫是安全的能源-------密度小，擴(kuò)散后迅速升空二、氫氣的制備方法主講：

二、氫氣的制備技術(shù)原料效率%商業(yè)應(yīng)用情況蒸汽重整碳?xì)浠衔?0~80商業(yè)應(yīng)用部分氧化碳?xì)浠衔?0~75商業(yè)應(yīng)用堿性電解水+電50~60商業(yè)應(yīng)用生物質(zhì)氣化生物質(zhì)35~50商業(yè)應(yīng)用等離子重整碳?xì)浠衔?~85遠(yuǎn)期水相重整碳?xì)浠衔?5~55中期自熱重整碳?xì)浠衔?0~75近期光催化太陽(yáng)光+水0.5遠(yuǎn)期黑暗發(fā)酵生物質(zhì)60~80遠(yuǎn)期光發(fā)酵生物質(zhì)+太陽(yáng)光0.1遠(yuǎn)期微生物電解電池生物質(zhì)+電78遠(yuǎn)期PEM電解劑水+電50~70近期固體燃料電池水+電40~60中期分解水水+熱未知遠(yuǎn)期CO+H2O=H2+CO2水煤氣法制氫流程框圖目前，氫氣大多是以石油、天然氣和煤為主要原料制取的。（主要用于化工而不是燃料）化石燃料制造氫氣的傳統(tǒng)方法，會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境不利。但是相對(duì)于其他制氫方法，化石能源制氫的工藝比較成熟，原料價(jià)格相對(duì)低廉，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，我國(guó)的煤儲(chǔ)量相對(duì)豐豐富，因此利用煤制氫是我國(guó)特色的制氫路線。

就目前來(lái)看，電解水制氫的效率一般為75--85%，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)污染，但是能耗太大，因而受到限制。但是可以利用過(guò)剩的能源如棄風(fēng)，來(lái)降低成本，也可以通過(guò)與其他產(chǎn)品相結(jié)合，如氯堿工業(yè)使氫氣成為氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品而大大降低成本。光解水制氫技術(shù)始自1972年，由日本東京大學(xué)FujishimaA和HondaK兩位教授首次報(bào)告發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極光催化分解水從而產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象，從而揭示了利用太陽(yáng)能直接分解水制氫的可能性，開(kāi)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(heterogeneousphotocatalysis)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。4、生物質(zhì)原料催化裂解氫氣

生物質(zhì)氣化制氫氣體分離氣化反應(yīng)器變換反應(yīng)空氣/水蒸氣

除生物質(zhì)氣化制氫外，還有生物質(zhì)熱裂解制氫，生物質(zhì)熱裂解油重整制氫，微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)等多種制氫途徑。但筆者認(rèn)為生物質(zhì)中氫含量不足（典型的生物質(zhì)木屑只含6%的氫元素），更適合用來(lái)制造乙醇或是生物柴油。

氫氣提純無(wú)論采用何種原料制備氫氣，都只能得到含氫的混合氣，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。三、氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸主講：三、氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫的儲(chǔ)存是一個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)，儲(chǔ)氫問(wèn)題是制約氫經(jīng)濟(jì)的瓶頸之一，儲(chǔ)氫問(wèn)題不解決，氫能的應(yīng)用難以推廣。氫是氣體，他的輸送和儲(chǔ)存比固體煤、液體石油更加困難。一般而論，氫氣可以以氣體、液體、固體、化合物等形態(tài)儲(chǔ)存。目前，氫的儲(chǔ)存方法有一下幾種。三.氫能的儲(chǔ)存和輸送氣態(tài)壓縮高壓儲(chǔ)氫是最普通和最直接的儲(chǔ)氫方式缺點(diǎn)是能耗高，還存在一定的安全問(wèn)題加壓氣態(tài)儲(chǔ)存

氫氣通過(guò)高壓絕熱膨脹生成液氫。液氫的沸點(diǎn)低,氣化潛熱小，難以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，不適合于間歇使用的場(chǎng)合。液化儲(chǔ)存三.氫能的儲(chǔ)存和輸送一種以金屬與氫反應(yīng)生成金屬氫化物而將氫儲(chǔ)存的技術(shù)。氫可以和許多金屬或合金在一定溫度和壓力下大量吸收氫而生成金屬氫化物。反應(yīng)有很好的可逆性，適當(dāng)升高溫度和減小壓力即可發(fā)生逆反應(yīng)，釋放出氫氣。金屬氫化物儲(chǔ)存由于氫的化學(xué)性質(zhì)活潑，它能與許多非金屬元素或化合物作用，生成各種含氫化合物，可作為人造燃料或氫能的儲(chǔ)存材料。如氫可與CO催化反應(yīng)生成烴和醇，與一些不飽和烴加成生成含氫更多的烴，將氫儲(chǔ)存其中，還可與氮、硼、硅形成氫化物。

非金屬氫化物儲(chǔ)存1、加壓氣態(tài)儲(chǔ)氫氣態(tài)壓縮高壓儲(chǔ)氫是最普遍最直接的儲(chǔ)氫方式，目前國(guó)際上已經(jīng)有35MPa的高壓儲(chǔ)氫罐，我國(guó)使用容積為40L的鋼瓶在15MPa儲(chǔ)存氫氣，鋼瓶螺紋旋轉(zhuǎn)方向與其他鋼瓶相反，并涂綠色漆，但是這種鋼瓶只能儲(chǔ)存6m3，大約0.5kg的氣體，效率低下，運(yùn)輸成本高，并存在一定的安全隱患。注：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(kāi)發(fā)的第4類車用壓力儲(chǔ)氫裝置高壓儲(chǔ)存對(duì)器具抗壓性、防漏性要求較高。因?yàn)闅錃庖兹家妆?，所以在?chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中安全性尤為重要！對(duì)高壓儲(chǔ)氣罐的日常維護(hù)檢修非常重要。將氫氣冷卻到-253℃，即可呈液態(tài)，然后，將其貯存在高真空的絕熱容器中。液氫貯存工藝首先用于宇航中，其貯存成本較貴，安全技術(shù)也比較復(fù)雜。高度絕熱的貯氫容器是目前研究的重點(diǎn)。（2）低溫液氫存儲(chǔ)：3、金屬氫化物儲(chǔ)氫通俗的講就是利用金屬氫化物的特性，調(diào)節(jié)溫度與壓力，分解并放出氫氣而本身有被還原到金屬的原理利用金屬氫化物的方法儲(chǔ)氫，比壓縮氫氣和液化氫氣都方便的多。4、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫有機(jī)化合物儲(chǔ)氫是一種利用有機(jī)化合物的催化加氫和催化脫氫反應(yīng)儲(chǔ)放氫的方式。有些有機(jī)化合物可作為氫氣載體，其儲(chǔ)氫率大于金屬化合物，而且可以大規(guī)模遠(yuǎn)程輸送，適用于長(zhǎng)期性的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也為燃料電池汽車提供了良好的氫源途徑。例如苯和甲苯的儲(chǔ)氫量分別為7.14%和6.19%氫化硼鈉（NaBH4）、氫化硼鉀（KBH4）、氫化鋁鈉（NaALH4）等絡(luò)合物通過(guò)加水分解反應(yīng)可產(chǎn)生比起自身含氫量還多的氫氣，如氫化鋁鈉在加熱分解后可放出總量高達(dá)7.4%的氫。這些絡(luò)合物是很有發(fā)展前景的的新型儲(chǔ)氫材料，但是為了使其能得到實(shí)際應(yīng)用還需探索新的催化劑或?qū)F(xiàn)有的鈦、鋯、鐵催化劑進(jìn)行優(yōu)化組合以改善材料的低溫放氫性能，處理好回收再生的循環(huán)系統(tǒng)。。理論上，苯及其衍生物都可以作為有機(jī)儲(chǔ)氫化合物，且所含苯環(huán)越多，單位儲(chǔ)氫量越大。+3H2催化劑氫的運(yùn)輸壓縮氫氣的運(yùn)輸.壓縮氫氣可采用高壓氣瓶，拖車或管道運(yùn)輸，氣瓶和管道的材質(zhì)可直接使用鋼材。氣瓶的最大壓力可達(dá)40MPa，容量1.8kg，但不便于運(yùn)輸。全球用于運(yùn)輸氫氣（工業(yè)用）的管道總長(zhǎng)度已超過(guò)1000km，主要位于北美和歐洲（法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)）。操作壓力一般為1~3MPa，輸氫量310~8900kg/h。德國(guó)擁有210km輸氫管道，直徑0.25m，操作壓力2MPa，輸氫量8900kg/h。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），適用于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸（在不適合鋪設(shè)管道的情況下）。未來(lái)的液氫輸送方式還可能包括管道運(yùn)輸，盡管這需要管道具有良好的絕熱性能，此外，未來(lái)的液氫輸送管道還可以包含超導(dǎo)電線，液氫（20K）可以起到冷凍劑的作用，這樣在輸送液氫的同時(shí)，還可以無(wú)損耗地傳輸電力。四、氫能的應(yīng)用技術(shù)主講：1、概述

氫氣除作為化工原料以外，還用作燃料，主要使用方式是直接燃燒和電化學(xué)轉(zhuǎn)換。氫能在發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)內(nèi)進(jìn)行燃燒轉(zhuǎn)換成動(dòng)力，成為交通車輛、航空的動(dòng)力源或者固定式電站的一次能源；應(yīng)用燃料電池將氫的化學(xué)能量通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池可用作電力工業(yè)的分布式電源、交通部門的電動(dòng)汽車電源和微小型便攜式移動(dòng)電源等。目前專門以氫氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)正在研發(fā)之中，氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛也在示范階段，氫和天然氣、汽油的混合燃燒技術(shù)已有示范工程。不同種類的燃料電池處于不同的發(fā)展階段。

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。2、燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A—2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體推進(jìn)劑。

氫能航空航天1960年液氫首次用作航天動(dòng)力燃料。1970年美國(guó)發(fā)射的“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃料。現(xiàn)在氫已是火箭領(lǐng)域的常用燃料了。3、內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用略略略重要的事情說(shuō)三遍現(xiàn)今的燃料電池之星是本田FCXClarity,它使用的是氫燃料電池。氫能汽車寶馬氫能7系選擇了和本田不同的道路，它使用的是氫燃料內(nèi)燃機(jī)

4、

燃料電池技術(shù)

燃料電池是氫能利用的最理想方式，它是電解水的逆反應(yīng)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，許多國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)了第一代堿性燃料電池（AFC），第二代磷酸型燃料電池（PAFC），第三代熔融鹽燃料電池（MCFC），第四代固體氧化物燃料電池(SOFC)，第五代質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。燃料電池的特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換效率高減少污染特殊場(chǎng)合使用高度的可靠性燃料電池的比能量高輔助系統(tǒng)堿性燃料電池堿性燃料電池（AFC）是最早獲得應(yīng)用的燃料電池。通常用氫氧化鉀或氫氧化鈉為電解質(zhì)，導(dǎo)電離子為OHˉ，燃料為氫。陽(yáng)極反應(yīng)：H2+2OHˉ2H2O+2eˉ標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.828V陰極反應(yīng)：0.5O2+H2O+2eˉ2OHˉ標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0.401V總反應(yīng)：0.5O2+H2H2O理論電動(dòng)勢(shì)為-1.29V磷酸型燃料電池陽(yáng)極反應(yīng)：H22H++2eˉ陰極反應(yīng)：O2+4H++4eˉ2H2O電池總反應(yīng)為電解水的逆過(guò)程2H2+O22H20熔融碳酸鹽燃料電池陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4eˉ2CO32-陽(yáng)極反應(yīng)：2H2+2CO32-2H2O+2CO2+4eˉ電池總反應(yīng)：2H2+O22H2O固體氧化物燃料電池O2+4eˉ2O2-2O2--4eˉ+2H22H2O4O2--8eˉ+CH42H2O+CO2電池總反應(yīng)：2H2+O22H2OCH4+O22H2O+CO2質(zhì)子交換膜燃料電池H22H++2eˉ0.5O2+2H++2eˉH2O電池總反應(yīng)：H2+0.5O2H2O

世界上首座氫能源發(fā)電站于2010年7月12日在意大利正式建成投產(chǎn)。這座電站位于水城威尼斯附近的福西納鎮(zhèn)。據(jù)報(bào)道，意大利國(guó)家電力公司投資5000萬(wàn)歐元建成這座清潔能源發(fā)電站，該發(fā)電站功率為16兆瓦，年發(fā)電量可達(dá)6000萬(wàn)千瓦小時(shí)，可滿足2萬(wàn)戶家庭的用電量，一年可減少相當(dāng)于6萬(wàn)噸的二氧化碳排放量。該電站7萬(wàn)噸燃料來(lái)自于威尼斯及附近城市的垃圾分類回收。五、氫能的發(fā)展現(xiàn)狀主講：現(xiàn)狀一目前全世界每年約生產(chǎn)5×1012Nm3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。若設(shè)想將這些氫氣全部作為能源，僅相當(dāng)于全球年能耗的1.5%?，F(xiàn)狀二真正的“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(kāi)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(kāi)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。氫氣內(nèi)燃機(jī)車及燃?xì)廨啓C(jī)氫-天然氣混合燃料燃料電池電站燃料電池汽車氫能利用現(xiàn)狀美國(guó)氫能利用路線圖2000-20102010-20202020-20302030-2040第一階段技術(shù)、政策和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)階段第二階段向市場(chǎng)過(guò)渡階段第三階段市場(chǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張階段第四階段走進(jìn)氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代圖3-2現(xiàn)有能源體系向氫能體系過(guò)渡的計(jì)劃圖

美國(guó)能源部HydrogenPosturePlan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(kāi)始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在國(guó)家政策的引導(dǎo)下開(kāi)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)”。其它已開(kāi)展的大規(guī)模氫能開(kāi)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。

其它已開(kāi)展的大規(guī)模氫能開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“Hy-SolarProject”(沙特阿拉伯)，主要利用沙特豐富的太陽(yáng)能資源制取氫氣；“Euro-QuebecHydro-HydrogenPilotProject,EQHHPP”(歐盟、加拿大)，主要利用加拿大Quebec省豐富的水電資源制取氫氣；“WE-NETProject”(日本)，計(jì)劃共投資40億美元用于開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)。

燃料電池電站技術(shù)

韓國(guó)浦項(xiàng)能源建造的世界最大的燃料電池發(fā)電站，功率2.4MW據(jù)外媒