41新能源之氢能

新能源篇——氢能hydrogenenergy•氢能概述•氢的特点•氢的利用•氢经济•氢的制取•氢的储存与运输二次能源又可分为两类：•过程性能源（水能、风能、电能……）•含能体能源（汽油、柴油……）一次能源能源用户二次能源一、氢能概述•由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接贮存，因此汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通运输工具就只能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源”。•随着常规能源危机的出现，在开发新的一次能源的同时，人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”，氢能正是一种人们期待的新的二次能源。•21世纪最有前途的能源有两种：•氢能•受控核聚变能二、氢的特点氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。1）所有元素中，氢重量最轻。2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。•氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。燃烧氢气能发电氢燃料电池氢能航空航天氢能汽车氢能•氢能汽车三、氢的利用•氢能航空航天•氢燃料电池•燃烧氢气能发电•氢能汽车：氢能汽车可有两种形式：⒈通过内燃机燃烧氢产生动能，此时的燃料可以是纯氢，也可以是氢与天然气的混合物。⒉以氢为原料的燃料电池作为汽车的动力，即现在我们所说的氢燃料电池汽车。•在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早已推出以氢作燃料的示范汽车，并进行了几十万公里的道路运行试验。•试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在贮氢密度小和成本高两大障碍。福特汽车领先投产氢燃料内燃机•目前制造一辆燃料电池车的花费大约是普通汽车成本的100倍左右，只有那些为批量上市而生产的车型才能产生经济效益，但其成本仍然是普通汽车成本的10倍。•氢能航空航天：•早在第二次世界大战期间，氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。•1960年液氢首次用作航天动力燃料。•1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。•现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。•氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻2／3，这对航天飞机无疑是极为有利的。•今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂，以纯氧作为氧化剂，液氢就装在外部推进剂桶内，每次发射需用1450m3，重约100t。•在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前已进入样机和试飞阶段。•德国戴姆勒-奔驰航空公司和俄罗斯航空公司已从1996年开始进行试验，证实在配备有双发动机的喷气机中使用液氢，其安全性有足够的保证。•由于液态氢的工作温度为－253℃，因此必须改进目前的飞机燃料系统。•氢燃料电池：•燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。•这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60%－80%，实际使用效率则是普通内燃机的2－3倍。•氢燃料电池工作原理：•工作时给负极供给燃料(氢)，给正极供给氧化剂(空气)。•氢在负极分解成正离子H＋和电子e-：2H2→4H++4e－，氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路(含负载)移向正极。•氧在正极获得氢离子和电子反应为水：O2+4H++4e-→2H2O。•氢燃料电池工作原理：采用氢燃料电池的实验车•氢燃料电池的应用：•把化学能直接转化为电能供机械应用•在旧金山召开的英特尔开发商论坛上，千年电池公司向人们展示了一台运行原型氢燃料电池的电脑。目前绝大多数笔记本电脑在电池充满情况下可工作三到四小时。•迄今，千年电池的工作时间仅有三小时，但是公司的开发目标是将电池性能提高到八小时。•氢燃料电池展示：东芝燃料电池本本亮相•燃烧氢气能发电：•利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。•这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机，它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。•在电网低负荷的，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。这种调节作用对于用网运行是有利的。•另外，氢和氧还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷量发电装置，进而提高机组功率等。•氢经济（HydrogenEconomy）一词，为美国通用汽车公司（GeneralMotors）于1970年发生第一次能源危机时所创，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。四、氢经济•但随后二十年间中东形势趋缓、原油价格下跌，石油依旧成为交通运输业的首要选择，因此对于氢经济发展的相关研究渐少。直到1990年代末期气候变化（全球变暖等）问题引起重视以后，氢能与氢经济又再度成为世界各国研究的热点。（1）美国氢经济发展战略：•美国在1990年就通过了氢能研究与发展、示范法案。•美国能源部(DOE)启动了一系列氢能研究项目。2001年以来，美国政府将发展氢能作为其能源政策的一个重要方面，先后制定了多项氢能研究计划，以实现向氢经济的过渡。•2004年2月，美国能源部出台了《氢态势计划：综合研究、开发和示范计划》。•氢经济必须经历4个相互重叠、关联的阶段：–技术研发与示范(2000—2015年)–前期市场渗透(2010—2025年)–基础设施建设与投资(2015—2035年)–氢经济实现(2025—2040年)•确定了在发展氢经济的初始阶段的技术研究、开发与示范的具体内容和目标，以及相关的后续行动等。该计划明确提出美国将于2040年实现向氢经济的过渡。（2）氢经济循环过程：•氢能在化工、航空航天、交通运输、供热、供电等方面有着广泛的应用空间。氢主要有两种转化应用的方式，以燃烧的形式在发动机中使用，以化学作用的形式在燃料电池中使用。制取储存应用运输（3）氢的转化利用：转化技术应用燃烧气体涡轮机分布式电站组合式取暖和电力中央电站往复式发动机车辆分布式电站组合式取暖和电力便携式电源燃料电池质子交换膜车辆分布式电站组合式取暖和电力便携式电源碱性电解质车辆分布式电站磷酸分布式电站组合式取暖和电力熔融碳酸盐分布式电站组合式取暖和电力固体氧化物卡车APV分布式电站组合式取暖和电力氢能与氢能经济氢能系统转换储存输运化石原料制备CO2处理可再生能源制备应用•氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然界中氢多以化合物的形式的存在，氢气极少。•最丰富的含氢物质是水（H2O），其次就是各种矿物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。因此要开发利用这种理想的清洁能源，必需首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。五、氢的制取•长远看以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧放出能量后又生成产物水，不造成环境污染。•各种矿物燃料制氢是目前制氢的最主要方法，但其储量有限，且制氢过程会对环境造成污染。•其它各类含氢物质转化制氢的方法目前尚处次要地位。常用的制取氢气的方法原理图：•制取氢气目前最常用的四种方法：•1.从合烃的化石燃料中制氢•2.电解水制氢•3.热化学制氢•4.太阳能制氢•从合烃的化石燃料中制氢•这是过去以及现在采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽作催化剂以煤作原料来制取氢气的基本反应过程为：C＋H2O→CO＋H2•用天然气作原料、蒸汽作催化剂的制氢化学反应为：COHOHCH2800243•上述反应均为吸热反应，反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得，也可利用外部热源。•自从天然气大规模开采后，现在氢的制取有96%都是以天然气为原料。天然气和煤都是宝贵的燃料和化工原料，用它们来制氢显然摆脱不了人们对常规能源的依赖。•电解水制氢•这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：•为了提高制氢效率，电解通常在高压下进行，采用的压力多为3.0～5.0MPa。目前电解效率约为50％～70％。由于电解水的效率不高且需消耗大量的电能，因此利用常规能源生产的电能来大规模的电解水制氢显然是不合算的。QOHOH22221•热化学制氢•这种方法是通过外加高温热使水起化学分解反应来获取氢气。•到目前为止虽有多种热化学制氢方法，但总效率都不高，仅为20％～50％，而且还有许多工艺问题需要解决。依靠这种方法来大规模制氢还有待进一步研究。•太阳能制氢•随着新能源的崛起，以水作为原料利用核能和太阳能来大规模制氢已成为世界各国共同努力的目标。利用太阳光制造氢能设备•其中太阳能制氢最具吸引力，也最有现实意义。•(1)太阳热分解水制氢•热分解水制氢有两种方法，即直接热分解和热化学分解。前者需要把水或蒸汽加热到3000K以上，水中的氢和氧才能够分解，虽然其分解效率高，不需催化剂，但太阳能聚焦费用太昂贵。后者是在水中加入催化剂，使水中氢和氧的分解温度降低到900~1200K，催化剂可再生后循环使用，目前这种方法的制氢效率已达50%。•(2)太阳能电解水制氢•这种方法是首先将太阳能转换成电能，然后再利用电能来电解水制氢。•(3)太阳能光化学分解水制氢•将水直接分解成氧和氢是很困难的，但把水先分解为氢离子和氢氧离子，再生成氢和氧就容易得多。•基于这个原理，先进行光化学反应，再进行热化学反应，最后再进行电化学反应即可在较低温度下获得氢和氧。•在上述三个步骤中可分别利用太阳能的光化学作用、光热作用和光电作用。•这种方法为大规模利用太阳能制氢提供了实现的基础，其关键是寻求光解效率高、性能稳定、价格低廉的光敏催化剂。•(4)太阳能光电化学分解水制氢•这种方法是利用特殊的化学电池，这种电池的电极在太阳光的照射下能够维持恒定的电流，并将水离解而获取氢气。这种方法的关键是需要有合适的电极材料。•(5)模拟植物光合作用分解水制氢•植物光合作用是在叶绿素上进行的。自从在叶绿素上发现光合作用过程的半导体电化学机理后，科学家就企图利用所谓“半导体隔片光电化学电池”来实现可见光直接电解水制氢的目标。•不过由于人们对植物光合作用分解水制氢的机理还不够了解，要实现这一目标还有一系列理论和技术问题需要解决。•(6)光合微生物制氢•人们早就发现江河湖海中的某些藻类也有制氢的能力，如小球藻、固氮蓝藻、绿藻等就能以太阳光作动力，用水作原料，源源不断地放出氢气来。因此深入了解这些微生物制氢的机制将为大规模的太阳能生物制氢提供良好的前景。日产开发汽车燃料电池组及高压贮氢器六、氢的储存与运输•氢在一般条件下是以气态形式存在的，这就为贮存和运输带来很大的困难。•氢存储问题涉及到氢生产、运输、最终应用等所有环节。•目前，氢的存储主要有三种方法：高压气态存储、低温液氢存储和储氢材料存储。•（1）高压气态存储：•气态氢可贮存在地下库里，也可装入钢瓶中。为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，