新型含能体能源:氢能及储氢技术的最新进展hckg.docx
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1、论文关键键词:氢氢能 制氢技技术 储氢技技术论文摘要要:氢能能是211世纪解解决化石石能源危危机和缓缓解环境境污染问问题的绿绿色能源源。实现现氢能的的利用,氢氢的储运运是目前前要解决决的关键键问题。文文章综述述了氢气气制备技技术和储储备技术术的最新新研究进进展,并并探讨了了制氢与与储氢技技术的关关键问题题。最后后对进一一步的研研究进展展进行展展望,提提出了可可供研究究的课题题方向。0 引言言资源源减少、能能源短缺缺、环境境污染日日益严重重。为了了我国经经济可持持续发展展的战略略国策,寻寻找洁净净的新能能源和可可再生能能源来替替代化石石能源已已经迫在在眉睫。氢氢能以其其热值高高、无污污染、来来源
2、丰富富等优点点,越来来越受到到人们的的重视,被被称为221世纪纪的理想想能源。是是人类能能够从自自然界获获取的、储储量非常常丰富而而且高效效的含能能体能源源。作为为能源,氢氢能具有有无可比比拟的潜潜在开发发价值:氢是自自然界最最普遍存存在的元元素,它它主要以以化合物物的形态态储存于于水中,而而水是地地球上最最广泛的的物质;除核燃燃料外,氢氢的发热热值在所所有化石石燃料、化化工燃料料和生物物燃料中中最高;氢燃烧烧性能好好,点燃燃快,与与空气混混合时有有广泛的的可燃范范围,而而且燃点点高,燃燃烧速度度快;氢氢本身无无毒,与与其他燃燃料相比比氢燃烧烧时最清清洁。氢氢能利用用形式多多,既可可以通过过燃
3、烧产产生热能能,在热热力发动动机中产产生机械械功,又又可以作作为能源源材料用用于燃料料电池,或或转换成成固态氢氢用作结结构材料料。用氢氢代替煤煤和石油油,不需需对现有有的技术术装备作作重大的的改造,现现在的内内燃机稍稍加改装装即可使使用。所所有气体体中,氢氢气的导导热性最最好,比比大多数数气体的的导热系系数高出出10倍倍,在能能源工业业中氢是是极好的的传热载载体。所所以,研研究利用用氢能已已成为国国内外学学者研究究的热点点1、22、3、44。1国国内外氢氢能发展展状况 220033年111月199-211日在美美国首都都华盛顿顿欧米尼尼西海海姆大酒酒店举行行“国际际氢能经经济合作作伙伴组组织”
4、Thee Innterrnattionnal Parrtneershhip Forr Thhe HHydrrogeen EEconnomyy( IIPHEE)成成立大会会,共有有澳大利利亚、巴巴西、加加拿大、中国、法国、德国、冰岛、印度、意大利、日本、韩国、俄罗斯、英国、美国和欧盟的政府代表团及工商业界代表数百人出席会议。IPHE是一种新的氢能国际合作关系,这种合作将支持未来的氢能和电动汽车技术,建设一个安全、有效和经济的世界范围的氢能生产、储存、运输、分配和使用设施的大系统。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。氢能能广泛应应用的关关键,在在于研制制出成本本低的制制
5、氢技术术。目前前,氢能能利用技技术开发发已在世世界主要要发达国国家和发发展中国国家启动动,并取取得不同同程度的的成果。美美国已研研制成功功世界上上第一辆辆以氢为为燃料的的汽车,可可将600%-880%的的氢能转转换成动动能,其其能量转转换率比比普通内内燃机高高一倍。119899年,美美国太平平洋能源源公司发发明了能能大量生生产廉价价氢燃料料的新技技术。可可用于水水分解的的一种化化学催化化剂。用用这种方方法分解解出来的的氢成本本很低,因因而成为为世界上上最便宜宜的燃料料13,66。欧盟盟(EUU)也加加紧对氢氢能的开开发利用用。在220022-20006年年欧盟第第6个框框架研究究计划中中,对氢
6、氢能和燃燃料电池池研究的的投资为为2,5500万万-3,0000万欧元元,比上上一个框框架计划划提高了了1倍。北北欧国家家20005年成成立了“北北欧能源源研究机机构”,通通过生物物制氢系系统分析析,提高高生物生生产氢能能力。220055年7月月,德国国宝马( BMMW)汽汽车公司司推出了了一款新新型氢燃燃料汽车车,充分分利用了了氢不会会造成空空气污染染和可产产生强大大动力的的两大优优点。该该车时速速最高可可达2226 kkm/hh,行驶驶极限可可达4000 kkm/hh。日本本研究氢氢能比较较早,目目前燃料料电池是是日本氢氢能的主主要发展展方向。日日本政府府为促进进氢能实实用化和和普及,进进
7、一步完完善了汽汽车燃料料供给制制,全国国各地建建造了不不少“加加氢站”,现现在已有有近百辆辆燃料电电池车已已经取得得牌照上上路,计计划到220300年将发发展到115000万辆166。对我我国来说说,能源源建设战战略是国国民经济济发展之之重点战战略,我我国化石石能源探探明可采采储量中中煤炭、石石油、天天然气分分别占世世界储量量的111.6% ,22.6% ,00.9%。人均均煤炭为为世界平平均值的的1/ 2,石石油仅为为1/ 10左左右,我我国人口口众多,人人均资源源严重不不足。因因此,寻寻找新的的洁净能能源对我我国的可可持续发发展具有有特别重重要的意意义。2 储氢氢技术发发展状况况 2. 1
8、 氢气的的制备技技术进展展 2.1.11 目前前制氢的的主要方方法 现代代工业能能制取的的方法很很多。如如表1所所示。表1 获取氢氢气的方方法 ( taablee.1 meethoods of acqquirre hhydrrogeen)序号方法举例1轻金属与与酸碱反反应2Na+2H22O22NaOOH +H22Al+2NaaOH+2H22O22NaAAlO22+3HH22天然气分分解制氢氢CH4+H2OCCO+33H23水煤气法法制氢H2O+CCCO+HH24电解水制制氢阴极:22K+2H22O+22e-2KK+2OOH-+H2阳极:22OH-H2O+00.5OO2+2ee-5热化学循循环分
9、解解水法纯水的分分解温度度要高达达40000以上,热化学学循环分分解水制制氢就是是在降低低这一温温度的条条件下促促使水分分解,生生产氢气气和氧气气。但是是没有真真正可以以规模生生产,实实现现实实社会生生产力的的方法。代代替常规规能源的的制氢工工艺并不不成熟,也也没有很很好的成成功实例例。当代代工业的的制氢方方法主要要有以下下三种:(1) 从含含烃的化化石燃料料中制氢氢。这是是过去以以及现在在采用最最多的方方法。用用蒸汽和和煤作原原料的基基本反应应过程为为:C + H2OO CO+ H22 (1)用蒸蒸汽和天天然气为为原料的的基本反反应过程程:CH4 + HH2O CCO+ 3H22 (22)上
10、述述反应均均为吸热热反应,反反应过程程中所需需的热量量可以从从煤或天天然气的的部分燃燃烧中获获得,也也可利用用外部热热源55。现现在氢的的制取大大都是以以天然气气为原料料,但是是天然气气和煤炭炭都是宝宝贵的燃燃料和化化工原料料,其储储量有限限,用它它们来制制氢显然然摆脱不不了人们们对常规规能源的的依赖和和对自然然环境的的破坏。(22)电解解水制氢氢。这种种方法是是基于如如下的可可逆反应应:2H2OO 2H22+ OO2 (33)分解解水所需需要的能能量由外外加电能能提供。为为了提高高制氢效效率,电电解通常常在高压压下进行行,采用用的压力力多为33-5MMPa。目目前电解解效率约约为500%-7
11、70%5。由由于电解解水的效效率不高高目前需需消耗大大量的电电能,因因此利用用常规能能源生产产电能来来大规模模的电解解水制氢氢显然也也是不合合算的。(33) 热热化学制制氢。这这种方法法是通过过外加高高温使水水起化学学分解反反应来获获取氢气气。到目目前为止止虽有多多种热化化学制氢氢方法,但但总效率率都不高高,仅为为20%-500%,而而且还有有许多工工艺问题题需要解解决。依依靠这种种方法来来大规模模制氢还还有待进进一步研研究。 2.1.22 生生物制氢氢 (11) 微生物物制氢。利利用微生生物在常常温常压压下进行行酶催化化反应可可制得氢氢气。近近年来,已已查明在在常温常常压下以以含氢元元素物质
12、质包括植植物淀粉粉、纤维维素、糖糖等有机机物和水水进行生生物酶催催化反应应来制得得氢气的的微生物物可分为为5类:异养型型厌氧菌菌、固氮氮菌、光光合厌氧氧细菌、蓝蓝细胞和和真核藻藻类。其其中蓝细细胞和真真核藻类类产氢所所利用的的氢源是是水;异异养型厌厌氧菌、固固氮菌、光光合厌氧氧细菌所所利用的的氢源是是有机物物。按氢氢能转化化的能量量来源来来分,异异养型厌厌氧菌,固固氮菌依依靠分解解有机物物产生AATP来来产氢;而真核核藻类、蓝蓝细胞、光光合厌氧氧细菌则则能通光光合作用用将太能能转化为为氢能6。近近年来发发现有330种化化能异养养菌可以以发酵糖糖类、醇醇类、有有机酸等等产生氢氢气,其其中有些些细
13、菌产产氢气能能力较强强,发酵酵1g的葡葡萄糖可可以产生生约0.5L的的氢气,葡葡萄糖总总利用率率达655%以上上;而天天然产氢氢的光合合细菌据据报道也也有十几几种之多多,其中中也有些些细菌产产氢气能能力较强强。日本本北里大大学研究究人员以以各种生生活垃圾圾,如剩剩菜肉骨骨等经处处理后作作为生产产氢的原原料,借借助3种种微生物物6,丁酸酸梭菌(Cloostrridiium buttyriicumm)、产产气肠杆杆菌(EEnteerobbactter aerrogeeness)和麦麦芽糖假假丝酵母母(Caandiida malltosse)在在36ooC混和和发酵废废弃有机机物488小时,平平均产
14、氢氢量为115,1145 mL。这这3种菌菌有协同同产氢效效应,即即产气肠肠杆菌起起主导作作用,而而另2种种菌起协协同作用用,使代代谢产物物不易积积累,为为彼此创创造生存存环境。由由此可见见,选择择混和菌菌制氢,利利用其互互补性,创创造互为为有利的的生态条条件,是是一条可可取的微微生物制制氢途径径。但是是,对产产氢细胞胞,不论论是游离离细胞或或是固定定化细胞胞,发酵酵生产氢氢所需的的复杂的的生态条条件因素素不可忽忽视。(22) 光光合细菌菌利用有有机废水水和活性性污泥制制氢。220000年1月月,我国国以厌氧氧活性污污泥和有有机质废废水为生生产原料料的有机机废水发发酵法生生物制氢氢技术在在哈尔
15、滨滨工业大大学通过过中试研研究验证证,该项项研究在在国内外外首创并并实现了了中试规规模连续续非固定定化菌种种长期持持续生物物制氢技技术,并并实现了了中试规规模连续续流长期期持续产产氢88。是是生物制制氢领域域的一项项重大突突破,其其成果国国际领先先。该技技术突破破了生物物制氢技技术必须须采用纯纯菌种和和固定技技术的局局限,开开创了利利用非固固定化菌菌种生产产氢气的的新途径径。试验验表明,在在一个容容积为550 mm3的容容器中,含含糖或植植物纤维维的废水水发酵后后,每天天能产生生2800 m33左右的的氢气,纯纯度达999%以以上,产产氢能力力大大加加强,氢氢气产率率比国外外同类的的实验研研究
16、水平平高100倍,生生产成本本约为目目前采用用的电解解水法制制氢成本本的1/2。这这一开创创性成果果利用淀淀粉厂,食食品厂等等含高碳碳水化合合物的工工厂废水水发酵制制氢,具具有广阔阔的应用用前景和和较好的的环境效效益、经经济效益益和社会会效益。在国国外,采采用活力力强的产产气夹膜膜杆菌,在在容积为为10LL的发酵酵器中,经经8h发发酵作用用后,产产氢气约约45 L,最最大产氢氢气速度度为188-233 L/h;泰泰国的WWataan-aabedd在曼谷谷分离的的Rhoodobbactter Sphhaerroiddes B6以以乳酸为为底物,1g干菌体产氢能力62.5mL /h,转化率达68.
17、 8 %。 79。(33)生物物质制氢氢。生物物质包括括高等植植物,农农作物及及秸秆,藻藻类及水水生植物物等。利利用生物物质制氢氢是指用用某种化化学或物物理方式式把生物物质转化化成氢气气的过程程。降低低生物制制氢成本本的有效效方法是是应用廉廉价的原原料,常常用的有有富含有有机物的的有机废废水,城城市垃圾圾等。利利用生物物质制氢氢同样能能够大大大降低生生产成本本,而且且能够改改善自然然界的物物质循环环,很好好地保护护生态环环境99。通过过陆地和和海洋中中的光合合作用每每年地球球上所产产生物量量中约含含3110211 J的的能量,是是全世界界人类每每年消耗耗量的110倍。就就纤维素素类生物物质而言
18、言,我国国农村可供供利用的的农作物物秸秆达达5亿至至6亿吨吨。相当当于2亿亿多吨标标准煤。林林产加工工废料约约为3000多万万吨。此此外还有有1万吨吨左右的的甘蔗渣渣。这些些生物质质资源中中,有116%-38%是作为为垃圾处处理的,其其余部分分的利用用也多处处于低级级水平,如如造成环环境污染染的随意意焚烧、采采用热效效率仅约约为1%的直接接燃烧方方法等。开发发生物质质制氢技技术将是是解决上上述问题题的一条条很好途途径,生生物质制制氢包括括两种方方法:= 1 * GB33 生物转转化制氢氢法:以以秸秆为为例,秸秸秆主要要由纤维维素,半半纤维素素和木质质素通过过复杂的的方式连连接形成成,这33种物
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