氢能技术

1氢能氢是宇宙中最丰富的元素之一，但是在地球上单质氢的含量微乎其微。氢能属于二次能源，只能由其他能源进行转化而得到。其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。2氢元素氢是一种化学元素，化学符号为H，原子序数为1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。3氢（Hydrogen）氢是一种化学元素，化学符号为H，原子序数是1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。它是宇宙中含量最高的物质.氢原子存在于水,所有有机化合物和活生物中.导热能力特别强，跟氧化合成水。在0℃和一个大气压下，每升氢气只有0.09克——仅相当于同体积空气质量的14.5分之一。（实际比空气轻14.38倍）4元素在太阳中的含量:(%)75地壳中含量：（%）1.5在常温下，氢气比较不活泼，但可用催化剂活化。单个存在的氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。5新能源：氢的优点氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题氢的热值高，燃烧产物是水－零排放，无污染，可循环利用氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物6新能源：氢—理想能源2000年1月，美国通用汽车推出了使用新能源的汽车——氢能概念车，在悉尼奥运会的马拉松比赛中，通用汽车公司的“氢动1号”作为开道车，出尽了风头。氢是万物之主，大约100亿年前，大量的氢核遍布太空。直到现在，太阳总体积80%仍是氢；木星氢占82%；地球上地壳内100个原子中有17个氢原子，其数目仅次于氧而居第二位。7新能源：氢的优点资源丰富。H主要以化合态存在于水中，地球上水资源丰富，H2燃烧的产物是水，二者无限循环氢作为燃料的独一无二的优点是，它的燃烧产物是水，不会污染环境，燃料循环与生物圈相吻合。按重量计算，氢的能量是同量汽油能量的近3倍左右。如果把喷气机上的燃料换成同等效能的氢，就会大大节省重量，这也使氢成为一种航空燃料具有的明显优点。8新能源：氢的优点氢的燃烧值很高，即燃烧时产生的热量很高，在空气中燃烧，温度可达1000oC。在氧气中燃烧，可达2800oC高温。它产生的热量比汽油高得多。1gH2燃烧时放热130KJ，是汽油的3~4倍使用方便，现有内燃机，稍加改装就可用氢作燃料，也可通过燃料电池将氢能转变为电能。氢的运输和销售费用要比输电的便宜，在许多情况下，把现有的天然气管线改造一下，就能用来运输氢。运送氢的费用只为远距离输电的八分之一。氢还可能比电更宜于储存。9新能源：氢的存储常温常压下，H2的密度小，能量/体积比小，所以必须解决贮存问题储气罐高压钢瓶液化H2：需要很厚的绝热保护层。贮氧合金技术：金属与H2充分反应，回执后释放H2。碳纳米材料：新型贮氧材料。（1999年我国研制，与克隆羊同时被评为我国十大科技新闻）10大量储存氢一般有两种方法：一种方法是高压下液化为液氢。但在常压下，氢气必须降温至-252度才能变成液体，这种方法成本高，而且储存液氢要有极好的绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿成严重火灾和爆炸事故。另一种方法是用某些金属或合金来储存氢。氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属(如钯等)或合金形成金属氢化物，如1体积胶状铑(Rh)能吸收2900体积氢气。当温度升高或体系氢压降低时，它们就放出氢。利用储氢材料储氢具有储存量高、可逆、安全等优点。氢的储存方法11由于氢在地球上无所不在，没有用尽的一天，因此「明日能源」一书的作者PeterHoffmann称氢为一种「永远的能源」。此外，燃烧氢气并不像石油或煤碳会产生二氧化碳等有毒物质，水和热是氢燃料电池的唯一产物。因此，使用氢气这种清洁能源最大的好处就是保护环境。12发展氢能经济的好处就是可以大量利用国内资源来生产，不需要像石油一样仰赖其它国家的进口。氢能不是能源的一种，它必须被生产出来。它可以利用煤碳、天然气、核能或是太阳能等其它替代能源被生产出来。我们必须大幅度减少生产氢气的成本到目前的十分之一左右。氢能经济的另一项巨大挑战就是在安全方面。由于氢气无色无味，它的火焰也是肉眼看不见的，如何安全的储存氢气在车辆中、以及如何到类似加油站的地点补充氢气都是问题。不过，科技发展会解决这个问题。13氢的来源化石燃料制氢生物制氢电解水制氢14新能源：氢的制作实验室制氢：Na,Ca与H2O反应制H2等工业制氢：天然气、石油裂解可制H2，水煤气可用煤炭制H2，但消耗化石燃料制H2从能源角度讲毫无意义。用H2O制氢：电解H2O热化学分解利用太阳能分解水生物制H2：模拟光合作用15研究新的合理的制氢方法是一项一劳永逸地解决能源问题的研究课题，理想的氢能源如图所示。理想的氢能源示意图16光分解水制氢的研究中已找到一些催化刘，如钙和联吡啶形成的配合物。它吸收的阳光正好近似于水分解成氢和氧所需的能量。另外，二氧化钛和某些含钙的化合物也是较适用的催化剂。有人大胆设想用城市垃圾和污水来制取氢气，主要原理是：17日本东京大学的科学家在氩和氦的气流中，将陶瓷CNF加热至300度，然后用注射针头向CNF注水制得氢。由于水解后CNF又回到非活化状态，所以CNF能反复使用。在每一次反应中，平均每克CNF可产生2至3厘米3H2。我国在世界上首次完成生物制氢中试实验。哈尔滨建筑大学的学者利用细茵从污水中分解收集氢气，并于2000年2月初完成中试实验。利用含碳水化合物的有机废水通过生物发酵制氢，使人类找到了一种新的可再生的洁净能源。18新能源：氢的利用直接燃烧氢能电池1920实现氢能经济的关键技术廉价而又高效的制氢技术安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急车用氢气存储系统目标：IEA:质量储氢容量5%;体积容量50kg(H2)/m3DOE:6.5%,62kg(H2)/m321二、不同储氢方式的比较气态储氢：1)能量密度低2)不太安全液化储氢：1)能耗高2)对储罐绝热性能要求高二、不同储氢方式的比较固态储氢的优势：1)体积储氢容量高2)无需高压及隔热容器3)安全性好，无爆炸危险4)可得到高纯氢，提高氢的附加值232.1体积比较242.2氢含量比较0123450123454.2wt%Carbonnanotube(RT,10MPa氢压)3.6wt%1.8wt%1.4wt%Hydrogenstoragecapacity(wt%)LaNi5H6TiFeH1.9Mg2NiH4Hydrogenstoragecapacity(wt%)perweight25三、储氢材料技术现状3.1金属氢化物3.2配位氢化物3.3纳米材料26金属氢化物储氢特点反应可逆氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠较高的储氢体积密度Abs.Des.M+x/2H2MHx+∆H27PositionforHoccupiedatHSMHydrogenonTetrahedralSitesHydrogenonOctahedralSites283.1金属氢化物储氢目前研制成功的：稀土镧镍系钛铁系镁系钛/锆系29稀土镧镍系储氢合金典型代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制特点：活化容易平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好适合室温操作经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池30PCTcurvesofLaNi5alloy31钛铁系典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室首先发明价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理32PCTcurvesofTiFealloyTiFe(40℃)33TiFealloyCharacteristics:twohydridephases;phase(TiFeH1.04)&phase(TiFeH1.95)2.13TiFeH0.10+1/2H2→2.13TiFeH1.042.20TiFeH1.04+1/2H2→2.20TiFeH1.9534镁系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道储氢容量高资源丰富价格低廉放氢温度高（250－300℃）放氢动力学性能较差改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复合jjkkl35钛/锆系具有Laves相结构的金属间化合物原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氢汽车储氢、电池负极Ovinic363.2配位氢化物储氢碱金属（Li、Na、K）或碱土金属（Mg、Ca）与第三主族元素(B、Al)形成储氢容量高再氢化难(LiAlH4在TiCl3、TiCl4等催化下180℃，8MPa氢压下获得5％的可逆储放氢容量)金属配位氢化物的的主要性能℃383.3碳纳米管（CNTs）1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs39纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河单壁纳米碳管束TEM照片多壁纳米碳管TEM照片40碳纳米管储氢材料41纳米碳管吸附储氢：HydrogenstoragecapacitiesofCNTsandLaNi5forcomparison(datadeterninedbyIMR，RT，10MPa)42纳米碳管电化学储氢开口多壁MoS2纳米管及其循环伏安分析循环伏安曲线43纳米碳管电化学储氢44多壁纳米碳管电极循环充放电曲线，经过100充放电后保持最大容量的70％单壁纳米碳管循环充放电曲线，经过100充放电后保持最大容量的80％45碳纳米管电化学储氢小结1.纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为1157mAh/g，相当于4.1％重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的70％。2.单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g，相当于1.84％重量储氢容量。经过100充放电后，其仍保持最大容量的80％。46纳米材料储氢存在的问题：世界范围内所测储氢量相差太大：0.01（wt）%-67（wt）%,如何准确测定？储氢机理如何47氢能利用存在的现实问题虽然氢能流被普遍认为是将要取代化石能流的一类洁净能流，但无的学者认为，现正在的氢不是免费的午餐，它并不是洁净、绿色的燃料。目前所提出的氢制取出产线路都面临灭那类骑虎难下的场所排场：人类不得不研发别的一类新手艺来处置出产新能量所带来的后果。例如，人们次要通过甲烷来获得氢气，但那类体例正在发生氢气的过程却向大气排放了二氧化碳；采用电解水的体例获得氢需要大量的电力供当，现正在大量的电力仍然出自耗损化石燃料的发电厂。48国外无研究人员发觉，若是氢燃料完全取代煤、石油、天然气等化石燃料，估量将无10%～20%的氢会渗漏进入大气平流层。它们随后被氧化成水，并导致平流层温度降低，侵扰形成臭氧的化学过程，进而正在北极和南极地域形成臭氧浮泛。鉴于此，德国化学家协会成员于尔根.梅茨格呼吁：每项新手艺都可能包含危及情况的要素，果此引入手艺前，必需进行全面试验。49安全性问题氢正在利用和储运外可否平安靠得住，是人们遍及关心的安全问题。一部门概念认为，氢的奇特物理性量决定了其不合于其它燃料的平安性问题，如更宽的灭火范围、更低的灭火能、更容难泄露、更高的火焰传布速度、更容难爆炸等。次如果具无三个问题：一是因为氢气太轻，占车内空间太多；50二是氢燃料“逃逸”率高，即便是用实空密封燃料箱，也以每24小时2%的速度“逃逸”；而汽油的一般是每个月