氢能源的开发和利用报告.docx

WORD 格式可编辑氢能源的开发和利用报告能源是现代社会人类生活、生产中必不可缺的东西。随着社会经济的发展，人们对能源 的需求越来越高。然而在能源开发及利用的研究中，人们发现有的能源与一般传统的矿物能 源不同，如太阳能、风能、潮汐熊等再生性能源。氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高、清洁的绿色能源及能源载体，被认为是连接化石能源向可再生能源过渡的主要桥梁。作为能源，氢能具有无可比拟的潜在开发价值。氢是自然界最普遍存在的元素，它主要 以化合物的形态储存于水中，而水是地球上最广泛的物质；除核燃料外，氢的发热值在所有 化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高；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；氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁。氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，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。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作 重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用。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，在能源工业中氢是极好的传热载体。所以，研究利用氢能已成为国内外学者研究的热点。1 氢能制备方法1.1 矿物燃料制氢在传统的制氢工业中，矿物燃料制氢是采用最多的方法，并已有成熟的技术及工业装置。其方法主要有重油部分氧化重整制氢，天然气水蒸气重整制氢和煤气化制氢。用蒸汽和天然 气作原料的制氢化学反应为：CH +2H O=CO +4H 。用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反应4222过程为：C+2H O=CO +2H 。虽然目前 90以上的制氢都是以天然气和煤为原料。但天然气和222煤储量有限，且制氢过程会对环境造成污染，按照科学发展观的要求，显然在未来的制氢技术中该方法不是最佳的选择。1.2 电解水制氢电解水制氢工业历史较长，这种方法是基于如下的氢氧可逆反应：2H O=2H O222目前常用的电解槽一般采用压滤式复极结构，或箱式单级结构，每对电解槽压在1.82.0V之间，制取1 m3H 的能耗在4.04.5kwh。箱式结构的优点是装置简单，易于维修，投资少，2缺点是占地面积大，时空产率低；压滤式结构较为复杂，优点是紧凑、占地面积小、时空产率高，缺点是难维修、投资大。随着科学技术的发展，出现了固体聚合物电解质(S P E)电专业知识整理分享解槽。SPE槽材料易得，适合大批量生产，而且使用相同数量的阴阳极进行H 、O 的分离，其22效率比常规碱式电解槽要高，另外，SPE槽液相流量是常规碱式电解槽的11 0，使用寿命约为300天。缺点是水电解的能耗仍然非常高。目前，我国水电解工业仍停留在压滤式复极结构电解楷或单极箱式电解槽的水平上，与国外工业和研究的水平差距还很大。1.3 甲烷催化热分解制氢传统的甲烷裂解制造氢气过程都伴有大量的二氧化碳排放，但近年来，甲烷因热分解制氢能避免CO 的排放，而成为人们研究的热点。甲烷分解l mol 氢气需要37.8kJ的能量，排2放CO 0.05tool。该法主要优点在于制取高纯氢气的同时，制得更有经济价值、易于储存的2固体碳，从而不向大气排放二氧化碳，减轻了温室效应。由于基本不产生CO ，被认为是连2接化石燃料和可再生能源之间的过渡工艺。但生产成本不低，如果副产物碳能够具有广阔的市场前景，该法将会成为一种很有前途的制氢方法。1.4 生物制氢利用生物制氢技术，可节约不可再生能源，减少环境污染，可能成为未来能源制备技术的主要发展方向之一。生物制氢是利用微生物在常温、常压下以含氢元素物质(包括植物淀粉、纤维素、糖等有机物及水)为底物进行酶生化反应来制得氢气。迄今为止，已研究报道的产氢生物可分为两大类：光合生物(厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻)和非光合生物(严格厌氧细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌)。光合生物蓝细菌和绿藻可利用体内巧妙的光合结构转化太阳能为氢能，故其产氢研究远较非光合生物深入。二者均可光裂解水产生氢气，光裂解水产氢是理想的制氢途径，但蓝细菌和绿藻在光合放氢的同时，伴随氧的释放，除产氢效率较低外，如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。厌氧光合细菌与蓝细菌和绿藻相比，其厌氧光合放氢过程不产氧，故工艺简单。目前鉴于光合放氢过程的复杂性和精密性，研究内容仍主要集中在高活性产氢菌株的筛选或选育、优化和控制环境条件以提高产氢量，其研究水平和规模还基本处于实验室水平。非光合生物可降解大分子有机物而产氢，使其在生物转化可再生能源物质(纤维素及其降解产物和淀粉等)生产氢能研究中显示出优越于光合生物的优势。该类微生物作为氢来源的研究始于20世纪60年代，至20世纪90年代未，我国科学家任南琪等研究开发了以厌氧活性污泥和有机质废水为原料的“有机废水发酵法生物制氢技术”，该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术的局限，开创了利用非固定化菌种生产氢气的新途径，中试试验结果表明，生物制氢反应器最高持续产氢能力达到5.7m3(m3·d)，生产成本约为目前采用的电解水法制氢成本的一半。2 储氢技术2.1 高压气态储氢根据气体状态方程，对于一定量的气体，当温度一定时，升高压力会减小气体所占的体 积，从而提高氯气密度。高压钢瓶储氢就是基于这一原理的一种常用的氢气储存方法。高压 气态储氢是一种应用广泛、简便易行、技术相对成熟的储氢方式，而且成本低，充放氢速度 快，在常温下就可进行。但其缺点是需要厚重的耐压容器，并要消耗较大的氢气压缩功，存在氢气易泄漏和容器爆破等不安伞因素3。一个充气压力为 15 MPa 的标准高压钢瓶储氢质量仅约占 1.0；供太空用的钛瓶储氢质量分数也仅为 5。可见，高压钢瓶储氢的能量密度一般都比较低。我国浙江大学研制成功5m3固定式高压(42 MPa)储氢罐，服务于北京奥运会的氢燃料示范车加氢。2.2 低温液态储氢低温液态储氢具有较高的体积能量密度。常温、常压下液氧的密度为气态氢的845 倍， 其体积能量密度比压缩储存要高好几倍，与同一体积的储氢容器相比，其储氢质量大幅度提 高。液氢储存工艺特别适于储存空间有限的运载场合，如航天飞机用的火箭发动机、汽车发 动机和洲际飞行运输工具等。若仅从质量和体积上考虑，液氢储存是一种极为理想的储氢方 式。但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量，液化过程所需的能耗约是储存氢气热值的50，增加了储氢和用氧成本。另外，液氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器，由于液氖储存的装料和绝热不完善，容易导致较高的蒸发损失，因而技术复杂、储氧成本高。高度 绝热的储氢容器是目前研究的重点。2.3 固态储氢固态材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中，其能量密度高且安全性好，被认为是最有发展前景的一种氢气储存方式。固态储氢材料包括可充氢化物(如金 属氢化物一镍电池)、化学氢化物(如水解或热解储氢)、碳和其他高比表面积材料(主要以物 理吸附为主)。下图给出了固态储氢材料的发展过程。可以看出，在中低温条件下，储氢材料是随着可逆储氢容量的增加和体系吸放氢动力学的改善而发展的。另外，储氢材料按氢的结合方式可分为化学键合储氢(如储氢合金、配位氢化物、氨基化合 物、有机液体碳氢化合物等)和物理吸附储氢(碳纳米管、多孔碳基材料、金属有机框架材料、纳米储氢材料、多孔聚合物等)。最近，丹麦研究人员 8-9开发了一类新型金属氨络合物储氢材料，该类材料可用M(NH ) X 表示(M 为 Mg、Ca、Cr、Ni、Zn，X 为Cl、SO )。研究表明，该类材料如 Mg(NH ) Cl3 n m43 62可以以氨的形式存储质量分数 9.1的氢，Ca(NH ) Cl 甚至可达到 9.7，而且整个过程完3 62全可逆，结合使用氨分解催化剂，可使氢在 620 K 以下的温度完全释放，同时其副产物是N ，不会带来任何环境污染。金属氨络合物储氢材料是迄今为止报道的可逆存储氢量最大的2材料。3 氢能利用方法氢能的利用方式主要有三种：直接燃烧；通过燃料电池转化为电能；核聚变。其中最安全高效的使用方式是通过燃料电池将氢能转化为电能。目前，氢能的开发正在引发一 场深刻的能源革命，并将可能成为2 1 世纪的主要能源。美、欧、日等发达国家都从国家可持续发展和安全战略的高度，制定了长期的氢能源发展战略10。3.1 氢内燃机氢内燃机的基本原理与汽油或者柴油内燃机原理一样。氢内燃机是传统汽油内燃机的带 小量改动的版本。氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。氢内燃机不需要 任何昂贵的特殊环境或者催化剂就能完成做功，这样就不会存在造价过高的问题。现在很多 已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的，也就是既可以使用液氢，也可以使用汽油等作为 燃料。这样氢内燃机就成了一种很好的过渡产品。例如，在一次补充燃料后不能到达目的地，但能找到加氢站的情况下就使用氢作为燃料；或者先使用液氢，然后找到普通加油站加汽油。这样就不会出现加氢站还不普及的时候人们不敢放心使用氢动力汽车的情况。氢内燃机由于 其点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性11。3.2 燃料电池氢能的应用主要通过燃料电池来实现的。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反 应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通 过外部的负载到达阳极。氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储 能装置，它把电能储存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置， 像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。而使用氢燃料电池发电，是 将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60一 80，而且污染少、噪声小，装置可大可小，非常灵活。从本质上看，氢燃料电池的工作方式不同于内燃机，氢燃料电池通过化学反应产生电能来推动汽车，而内燃机车则是通过燃烧产生热能来推 动汽车。由于燃料电池汽车工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗及腐蚀，氢燃料电池所产 生的电能可以直接被用在推动汽车的四轮上，从而省略了机械传动装置。现在，各发达国家 的研究者都已强烈意识到氢燃料电池将结束内燃机时代这一必然趋势，已经开发研制成功氢 燃料电池汽车的汽车厂商包括通用(GM)、福特、丰田(Toyota)、奔驰(Benz)、宝马、克莱斯 勒等国际大公司12。3.3 核聚变核聚变，即氢原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时放出巨大的能量。热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的氢原子核， 如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核 反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但目前尚无法加以利用。如能使热核反应 在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是 目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功， 则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形 (toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20 世纪 50 年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。我国也有两座核聚变实验装置。4 国内外氢能研究开发现状氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象，据美国能源部(DOE)新能源开发中心调查，过去 5 年，全世界工业化国家对氢能的开发投入年均递增20.5。美国一直重视氢能。2003 年，布什政府投资17 亿美元，启动氢燃料开发计划，该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项目。2004 年 2 月， 美国能源部公布了氢能技术研究、开发与示范行动计划，该计划详细阐述了发展氢经济 的步骤和向氢经济过渡的时间表，该计划的出台是美国推动氢经济发展的又一重大举措，标 志着美国发展氢经济已从政策评估、制定阶段进入到了系统化实施阶段。2004 年 5 月，美国建立了第一座氢气站，加利福尼亚州的一个固定制氢发电装置“家庭能量站第三代”开始 试用。2005 年 7 月，世界上第一批生产氢能燃料电池汽车的公司之一戴姆勒一克莱斯勒(Daimler Chrysler)公司研制的“第五代新电池车”成功横跨美国，刷新了燃料电池车在公路上行驶的纪录，该车以氢气为动力，全程行驶距离5245 km，最高速度 145 kmh。对我国来说，能源建设战略是国民经济发展之重点战略，我国化石能源探明可采储量中， 煤炭量为1145 亿t、石油量为38 亿t、天然气储量为1.37 万亿m3，分别占世界储量的11.6、 2.6、0.9。我国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采储量仅为世界平均值的12，石油仅为 110 左右，人均能源占有量明显落后；同时，我国近年来交通运输的能耗所占比重愈来愈大，与此同时，汽车尾气污染已经成为大气污染特别是城市大气污染最重要的 因素，以此，寻找新的洁净能源对我国的可持续发展有着特别重要的意义。“九五”和“十 五”期间，科技部都把燃料电池汽车及相关技术研究开发列入国家科技计划，2002 年 1 月， 中国科学院启动科技创新战略行动计划重大项目大功率质子交换膜燃料电池发动机及 氢源技术，由中科院大连化学物理研究所主持的这个重大科研项目，主要以科技部国家高技 术发展计划(“863”)“电动汽车重大专项”为背景，研究和开发具有自主知识产权的75 kW 和 150 kW 燃料电池发动机及氢源成套技术，这项世界前沿的技术将有助于我国早日进入氢能时代。目前我国已成功研制出燃料电池轿车和客车，累计实验运行超过 2 000 km，这标志着我国具备开发氢动力燃料电池发动机的能力，2008 年奥运会和 2010 年世博会召开时， 燃料电池轿车已经小批量示范性地行驶在街头。5 展望和总结目前，氢能做为二次能源，其用途主要有以下几个方面：在精细有机合成工业中，氢气也是重要的合成原料之一；在合成氨工业中氢气是重要的原料之一；氢气还可以作为填充气 在气象观测中应用；在分析测试中氢气可以做为标准气，在气相色谱中氢气可以作为载气。值得着重说明的是，近十几年发展起来的氢燃料电池可直接应用于航天航海和陆地交通运 输，氢能作为未来最有前途的新能源地位已初见端倪。开发生物制氢技术关键在于如何选育 到产氢性能优异、适合工程化处理的细菌，实现生物制氢技术的工业化4。氢能是未来最有希望的清洁能源之一。氢能的发展和利用不失为我国缓解能源压力的一种好的方式。因此，我国很有必要制定目标明确的氢能技术路线图，并将开发氢能列入国家长期能源战略目标中来，以期能够早日走人“氢能时代”。随着我国经济实力的增强，国际社会要求我国减排化石燃料有害废气的压力会愈来愈 重。目前，我国城市化进程加快，不少大、中型城市的大气污染，正在由单纯的煤烟型污染向煤烟型与机动车排气污染混合型的方向变化，且有继续加剧的趋势。我国汽车单车污染物 排放是国际同类先进机动车的几倍，甚至近10 倍，对大气的污染贡献率超过50。因此， 集中优势力量发展清洁高效的氢能源也许是我国抢先进入氢经济，摆脱百年来科技和战略落 后，走可持续健康发展的最佳切人点。氢能是未来人类最理想的能源，氢能研究的舞台是广 阔的，研究开发氢能将大有作为。能源化学报告院 系 理学院化学系班 级 化学 08-2 班姓 名 吴琳学 号 08052222