2022年氢能的开发与利用 .pdf

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1、1 氢能的开发与利用化学元素氢(H Hydrogen)，在元素周期表中位于第一位，它是所有原子中最细小的。众所周知，氢原子与氧原子化合成水，但氢通常的单质形态是氢气（H2 ） ，它是无色无味，极易燃烧的双原子的气体，氢气是最轻的气体。在0 摄氏度和一个大气压下，每升氢气只有0.0899克重 仅相当于同体积空气重量的二十九分之二。氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84% ，宇宙质量的75%都是氢。氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。现在工业每年用氢量为5500 亿立方米，氢气与其它物质一起用来制造氨水和化肥， 同时也应用到汽油精炼工艺、玻

2、璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品工业中。液态氢可以作为火箭燃料，因为氢的液化温度在253 。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。作为能源，氢有以下特点：（ l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在 -252.7 C 时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。（ 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

3、水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90O0倍。（ 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，为 142,351kJ/kg，是汽油发热值的3 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，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，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

4、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。（ 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。由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - -

5、 - - - - 2 廉价的制氢技术因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。安全可靠的贮氢和输氢方法由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。许多科学家认为，氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不象煤、石油和天然气等可以直接从地下开采。在自然界中，氢已和氧结合成水，必须用热分解或电分解的方法把氢从水中分离出来。如果用煤、石油和天然气等燃烧所产生的热或所转换成的电支分

6、解水制氢，那显然是划不来的。现在看来，高效率的制氢的基本途径，是利用太阳能。如果能用太阳能来制氢，那就等于把无穷无尽的、分散的太阳能转变成了高度集中的干净能源了，其意义十分重大。目前利用太阳能分解水制氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等等。利用太阳能制氢有重大的现实意义，但这却是一个十分困难的研究课题，有大量的理论问题和工程技术问题要解决，然而世界各国都十分重视，投入不少的人力、财力、物力，并且业已取得了多方面的进展。因此在以后，以太阳能制得的氢能，将成为人类普遍使用的一种优质、干净的燃料。氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%

7、 ，因此氢能被称为人类的终极能源。水是氢的大“ 仓库 ” ，如把海水中的氢全部提取出来，将是地球上所有化石燃料热量的9000 倍。氢的燃烧效率非常高，只要在汽油中加入4% 的氢气，就可使内燃机节油40% 。目前，氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施阶段。 美国政府已明确提出氢计划，宣布今后4 年政府将拨款17 亿美元支持氢能开发。美国计划到2040 年美国每天将减少使用1100万桶石油，这个数字正是现在美国每天的石油进口量。早在1970 年，美国通用汽车公司的技术研究中心就提出了“ 氢经济 ” 的概念。1976 年美国斯坦福研究院就开展了氢经济的可行性研究。20 世纪90 年代

8、中期以来多种因素的汇合增加了氢能经济的吸引力。这些因素包括：持久的城市空气污染、对较低或零废气排放的交通工具的需求、减少对外国石油进口的需要、CO2 排放和全球气候变化、储存可再生电能供应的需求等。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21 世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略能源发展方向。世界各国如冰岛、中国、德国、日本和美国等不同的国家之间在氢能交通工具的商业化的方面已经出现了激烈的竞争。虽然其它利用形式是可能的（例如取暖、烹饪、发电、航行器、机车），但氢能在小汽车、卡车、公共汽车、出租车、摩托车和商业船上的应用已经成为焦点。中国对氢能的研究与发展可以追溯到20 世纪 6

9、0 年代初， 中国科学家为发展本国的航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产、H2 O2 燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，则是从20 世纪 70年代开始的。现在， 为进一步开发氢能，推动氢能利用的发展，氢能技术已被列入科技发展 “ 十五 ” 计划和2015 年远景规划（能源领域）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 3 氢燃料电池技术，一直被认为是利用氢能，解决未来人类

10、能源危机的终极方案。上海一直是中国氢燃料电池研发和应用的重要基地，包括上汽、上海神力、同济大学等企业、 高校， 也一直在从事研发氢燃料电池和氢能车辆。随着中国经济的快速发展，汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。2007 年中国已成为世界第三大汽车生产国和第二大汽车市场。与此同时，汽车燃油消耗也达到8000 万吨，约占中国石油总需求量的1/4 。在能源供应日益紧张的今天，发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢能作为汽车的燃料无疑是最佳选择。虽然燃料电池发动机的关键技术基本已经被突破，但是还需要更进一步对燃料电池产业化技术进行改进、提升，使产业化技术成熟。这个阶段需要政府加大研发力度的投入，以保证中国在燃

11、料电池发动机关键技术方面的水平和领先优势。这包括对掌握燃料电池关键技术的企业在资金、融资能力等方面予以支持。除此之外，国家还应加快对燃料电池关键原材料、零部件国产化、批量化生产的支持，不断整合燃料电池各方面优势，带动燃料电池产业链的延伸。同时政府还应给予相关的示范应用配套设施，并且支持对燃料电池相关产业链予以培育等，以加快燃料电池车示范运营相关的法规、 标准的制定和加氢站等配套设施的建设，推动燃料电池汽车的载客示范运营。有政府的大力支持，氢能汽车一定能成为朝阳产业。最大电流密度可达到150 毫安 /平方厘米，发电效率约45 ， 燃料以氢、甲醇等为宜，氧化剂用空气，但催化剂为铂系列，目前发电成本

12、尚高，每千瓦小时约40 50 美分。融熔碳酸盐型燃料电池融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池，其运行温度650 左右，发电效率约55 ，日本三菱公司已建成10 千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的，由于工作温度高，可以承受一氧化碳的存在，燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40 美分。固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池，其操作温度1000 左右，发电效率可超过60% ，目前不少国家在研究，它适于建造大型发电站，美国西屋公司正在进行开发，可望发电成本每千瓦小时低于20 美分。燃料电池理想的燃料是氢气，因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池

13、的主要用途除建立固定电站外，特别适合作移动电源和车船的动力，因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。随着制氢技术的发展和化石能源的缺少，氢能利用迟早将进入家庭，首先是发达的大城市，它可以像输送城市煤气一样，通过氢气管道送往千家万户。每个用户则采用金属氢化物贮罐将氢气贮存，然后分别接通厨房灶具、浴室、氢气冰箱、空调机等等，并且在车库内与汽车充氢设备连接。人们的生活靠一条氢能管道，可以代替煤气、暖气甚至电力管线，连汽车的加油站也省掉了。这样清洁方便的氢能系统，将给人们创造舒适的生活环境，减轻许多繁杂事务氢能在工业领域(如切割 ,焊接 ), 巳有非常长的历史. 特别是在首饰加工行业, 有机玻璃制品火焰抛光, 连铸坯切割,制药厂水针剂拉丝封口等领域的应用非常普及.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -