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1、,第六章 氢化学能,6.1 氢能概述6.2 氢能的制取6.3 氢能的存储和运输6.4 氢能的利用,本章主要内容,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 ）,6.1 氢能概述,氢只是能量的一种储存形式，是能源载体，不是能源,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,氢的特点,氢位于元素周期表之首，它的
2、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）质量最轻的元素 2）导热性最好的气体。比大多数气体的导热系数高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，氢是发热值最高的燃料。1kg氢燃烧放出142.35kJ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）氢气燃烧后产物是水，无污染，且可再生,7）氢能利用形式多。既可作为动力
3、燃料和热能燃料，又可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）氢存储方式多样。以气、液、固态形式存在，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。,总之，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。,6.2 氢能的制取,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。,氢的制取, 实验室中制氢气,主要包括活
4、泼金属（金属氢化物）与水/酸/碱的反应：,水煤气法： 裂解天然气/石油制氢法, 工业法制氢气,以煤、石油、天然气为原料裂解制备氢气,煤焦化、气化焦炭 + H2 + 少量CH4 + CO,电解水法：,低温电解法,高温电解法,电极：PtNi效率：32%,电极：多孔YO/ZrO2效率：30-40%, 热化学分解水制氢,要使水吸收热能分解成氢气和氧气，需要G0,即T4700K，如此高的温度只能借助核反应堆。,将热化学分解反应与太阳能、核能耦合，可以制备廉价、清洁的氢气。太阳炉可以产生1200，添加AB热循环试剂(氧化物、硫化物、卤化物、硫酸),利用太阳能分解金属氧化物的热化学循环：,硫-碘分解热化学循
5、环：,总反应, 太阳能光电转换制氢及光化学分解水,太阳能,电能,氢气,光催化分解水制氢，其核心是寻找合适的光敏催化剂, 生物质能制氢,生物秸秆,富氢气体,厌氧发酵,富氢气体, 甲醇制氢,CO+2H2,CH3OH,CH3OH CO + 2H2,CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2,CH3OH + H2O CO2 + 3H2,总反应,常用的制取氢气的方法原理图：,日产开发汽车燃料电池组及高压贮氢器,6.3 氢的储存与运输,氢气的储存和运输是氢能应用的前提和关键；氢通常以气态形式存在，这就为贮存和运输带来很大困难。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
6、有三种方法：高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢。（1）高压气态储存：气态氢可贮存在地下库或钢瓶中。为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。,为提高贮氢量，目前正在研究一种微型球床储氢装置。微球壁厚(110m)，微孔(10100m)，氢气贮存在微孔中。微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。,不同气体装在不同颜色钢瓶,O2 天蓝色 黑字N2 黑色 黄字压缩空气 黑色 白字Cl2 草绿色 白字H2 深绿色 红字NH3 黄色 黑字石油液化气 灰色 红字乙炔 白色 红字,高压储存对器具抗压性、防漏性要求较高。因为氢气易燃易爆，在储存运输过程中安全性尤为重要！,对高压储气罐的日常维
7、护检修非常重要。,将氢气冷却到-253，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中。液氢贮存工艺主要用于宇航领域，贮存成本高，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。,（2）低温液态储氢：,目前，一种在壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。由于这种微珠导热系数极小，粒径细小，可完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。 这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存桶，美国宇航局已广泛采用这种贮氢容器 。,在低温下，氢气液化为液态。液态氢可以直接作为高效率燃料，适用于汽车、火箭、宇宙飞船。,运载
8、火箭氢燃料发动机,以液氢为燃料的汽车,以液氢为燃料的航空器,氢与金属氢化物之间可进行可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中。 用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。目前世界上已研究成功多种贮氢合金，它们大致可以分为四类 。,（3）储氢材料存储：(固态储氢),储氢合金吸氢和放氢微观过程,储氢合金材料,储氢合金装置,储氢钢瓶,由于活性炭吸附性强，利用纳米碳管储氢已展现良好的前景，其储氢量远大于金属氢化物，随着纳米碳管成本下降，这种储氢方法有可能实用化。,碳纳米管,氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着
9、多种运输方式。氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态都可以使用管道和车辆进行运输。,6.4 氢能的利用,氢能汽车可有两种形式： 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。 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。,氢能汽车：,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1
10、00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。,火箭重量每减轻1kg，可以多飞行100公里,火箭一级分离时节省4000多美元，二级分离节
11、省1万多美元,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23倍。,氢燃料电池工作原理：工作时，负极的燃料(氢)，失去电子形成H+：2H24H+4e-，H+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。,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
12、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。,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。,本章小结本章主要介绍了氢的特点、氢气制备、氢气储运和主要应用，其中氢气的制备和储运属于本章的重点。,
