氢能的发展现状与应用前景论文.pdf

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1、学号：*哈尔滨师范大学 学士学位论文 题 目 ：氢能的发展现状与应用前景 学 生 ：曹翠燕 指导教师 ：王玉和 教授 年 级 ：2006 级 专 业 ：化学教育 系 别 ：化学系 学 院 ：化学化工学院 哈 尔 滨 师 范 大 学 学士学位论文开题报告 论文题目：氢能的发展现状与应用前景 学生姓名：*指导教师：*年 级：06 级 专 业：化学教育 2010 年 3 月 课题来源：指导教师拟题 课题研究的目的和意义：随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大。而化石燃料由于它的不可再生性和严重的污染性使人类不得不想要开发新的清洁、高效的可再生能源，而氢能作为最有利用价

2、值的二次无污染、高效可再生能源受到广泛关注。所以我们有必要了解目前国内外氢能的发展现状与应用前景。国内外同类课题研究现状及发展趋势：目前国内外氢能在其制备、储存、利用方面都有很大的进展，而在以下行业都有诱人前景:航天航空领域:利用氢和氧化剂发生反应放出的热能使航天事业看到了新的曙光。例如氢氧发动机，新型大功率运载火箭及动力装置的燃料。军事领域：以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇，“攻击者”军用车，军用机车中、小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等，都体现了氢能在军事方面优势。能源领域：以氢为燃料的燃料电池，太阳能一氢能系统，生物质一氢能系统。交通运输领域、燃料电池汽车、大巴、各种适用的运载工具包括

3、高尔夫车、工程车、铲车、卡车、起重车、矿山机车、自行车、摩托等。工业领域：燃料电池的技术的诱人前景使我们看到了氢作为能源的可行性。课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法：无 课题研究起止时间和进度安排：第一阶段（2010 年 3 月 10 日-3 月 15 日）1选题 2收集资料 3拟定写作提纲 4制定开题报告 第二阶段（2010 年 3 月 5 日-5 月 7 日）1.查阅资料（3 月 5 日-4 月 10 日）1论文初稿（4 月 11 日-4 月 16 日）2论文二稿（4 月 16 日-4 月 30 日）3论文定稿（5 月 1 日-5 月 7 日）第三阶段（2010 年

4、5 月 24 日）1.论文答辩 课题研究所需主要设备、仪器及药品：无 外出调研主要单位，访问学者姓名：哈尔滨师范大学图书馆。指导教师审查意见：曹翠燕同学的毕业论文“氢能的发展现状与应用前景”，选题处于本学科领域的前沿，研究对象与研究目标明确，对氢气的制备方法、氢能的应用领域进行了全面的综述，并对目前氢能应用和发展前景进行了讨论。曹翠燕同学对本研究领域的国内外现状、发展动态以及主要文献资料了解较为全面，归纳准确，其本科毕业论文立论正确，内容完整，文字条理清晰，语言表达准确，论文设计规范，时间安排合理，审查合格，同意开题。指导教师 （签字）年 月 教研室（研究室）评审意见：_教研室（研究室）主任

5、（签字）年 月 院（系）审查意见：_院（系）主任 （签字）年 月 哈尔滨师范大学 学士学位论文 题 目 氢能的发展现状与应用前景 学 生 曹翠燕 指导教师 王玉和 教授 年 级 2006 级 专 业 化学教育 系 别 化学系 学 院 化学化工学院 哈尔滨师范大学 2010 年 5 月 氢能的发展现状与应用前景 曹翠燕 摘要：氢能作为最有利用价值的二次无污染、高效可再生能源受到广泛关注。本文分析概括了国内外氢能的发展概况，同时介绍了氢能的发展前景。其中，着重介绍了氢能在燃料内燃机和氢燃烧电池的应用，并且从氢能在航天航空领域、军事领域、能源领域、交通运输领域、工业领域等行业中的应用，阐述了氢能的实

6、用价值。关键字：氢能；发展状况;应用前景;氢内燃机；氢燃料电池 随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大。虽然煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，严重威胁了人类的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机1。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球急待解决的任务。而氢能作为2l世纪的绿色能源2，由于具备电能和热能所没有的可储存性，使它成为最好的可再生能源的载体，也得到世界各国的关注3。近年来，氢能的研究和开发工作已经形成一个不小的高潮，

7、氢能经济新时代正向我们走来。1.氢能的发展现状 1.1.国外发展概况 现阶段由于氢能系统技术在国民经济中起着越来越重要的作用，在国外氢能的发展已经不单纯停留在技术领域上，同时产生了“氢能经济”的新经济模式的概念4。最近又有专家提出未来要发展到“氢能文明社会”的新阶段5。不过，由于氢能在制备储存等方面的局限使氢能商业化进展仍然很慢，即使对发达国家而言，虽然氢能的技术条件已经成熟，但仍处于示范阶段。现阶段氢能作为一种高效能源在航天飞机、火箭等航天行业及城市公共汽车中有广泛应用，一些国外的发达国家在1993年就开始使用以液氢为燃料的城市公共汽车。目前世界各国推出的燃料电池动力车及可用于手提电脑、播放

8、器、手机的小型燃料电池等利用氢能的产品已经非常多6。目前欧洲已有22座加氢站，而在美国、日本建立的加氢站则更多。美国联邦政府计划在20042008年投入12亿美元用于实施“氢能技术研究、开发与示范行动计划”7。北欧国家冰岛与戴一克、壳牌等公司合作9，希望在今后3040年的时间内在该国的公共汽车、轿车和渔船上用氢取代石油，从而使该岛国成为初步实现氢经济的国家10。日本于1993年启动了二个项目，计划到2020年投入30亿美元，构建一个环球能源网络11，用于氢能源的有效供给、输送与利用，将500万辆燃料电池车投入市场，近期将建成2000多个加氢站。1.2.国内发展概况 我国对氢能的研究与发展可以追

9、溯到60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12，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，是70年代的事。氢能也可应用于电子工业中，例如在集成电路、电子管、显像管等制作过程中都是用氢作为保护气的13；炼油工业中可用氢进行加氢精制14；冶金工业中可用作还原剂将金属氧化物还原出来15；在精细有机合成工业中氢气也是重要的合成原料之一16；合成氨中氢气也是重要的合成燃料之一17。现阶段氢在诸多方面都有广泛的应用18。所以开发使用氢能源是现在许多科学家致力于努力的方向。在我国，尽管多年来，氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不

10、多的困难条件下，仍然在制氢、储氢和氢能利用等方面取得了不少进展和成绩19。制氢技术：目前，我国工业制氢方法主要是以天然气、石油和煤为原料，在高温下使之与水蒸气反应而制得，也可以用部分氧化法制得20。这些制氢方法在工艺上都比较成熟，但是由化石能源和电力来换取氢能，在经济上和资源利用上并不合适。现有的工业制氢主要是维持目前化工、炼油、冶金及电子等部门的需要。水电解制氢和生物质气化制氢等方法，现已形成规模。其中，低价电电解水制氢方法是当前氢能规模制备的主要方法，但目前电耗过高，亟待改进21。此外，由中科院山西煤炭化学研究所开发的“甲醇重整制氢技术”已投入生产实际应用，目前最大规模为360 Nm3 H

11、2/h，并实现系列化、批量化生产。中科院大连化学物理所在国家“九五”科技攻关项目“燃料电池技术”中，承担了燃料电池电动车用“甲醇重整制氢装置”21的研制，目前，已形成概念样机。为加快氢能的开发利用，有关高等院校和科研院所积极开展了新型制氢方法的研究。石油大学承担的“九五”科技攻关项目“从H2S制取氢气的扩大实验研究”，此方法制氢能耗低，约2.6 kWh/NH2，使低电耗制氢技术达到了世界先进水平22。中科院感光化学研究所承担了“九五”科技攻关项目“制氢技术的中试研究”。该所的人工模拟光合作用分解水制氢及非常规资源制氢研究达到了世界先进水平。在光化学、生物质和电化学制氢领域23，兰州化学物理所、

12、微生物以及南开大学、天津大学等单位也进行了大量的基础研究工作。储氢技术：目前，氢的储存方法主要有以下几种：常压储氢，高压储氢，液氢储氢，金属氢化物储氢及吸附储氢等24。液氢储氢是一种较好的储氢方法，此法储氢密度高。但是，制备1升液氢约需消耗电能3 kWh，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟一条新的途径25。近年来，我国也对氢能和燃料电池技术研究给予了稳定的支持。国家“863”计划设立了氢能技术和系统技术开发课题，“973”计划设立了氢能基础研究项目26。科技部从2001年开始组织实施以燃料电池汽车研发为重要内容的“电动汽车重大科技专项”27，

13、作为“十五”的12个国家重大科技专项之一，国家投入近9亿元。氢能利用：通过科学家们的努力攻关，我国氢能利用和燃料电池技术正在不断发展28。继德国、美国、日本之后，我国自主开发出燃料电池系统及燃料电池轿车和城市客车，其关键技术指标与国际先进水平相当29。王贺武表示，在科技部“电动汽车重大科技专项”和氢能源燃料电池领域项目支持下，清华大学汽车安全与节能国家实验室已经自主研发了5辆燃料电池城市客车，它们的关键技术指标优于国际主流车型，而造价只有国外平均水平的14，累计运行里程已超5万公里，引起了国内外的广泛关注。他说：“这5辆采用氢能燃料电池的公共汽车”。以研发燃料电池轿车为主的上海同济大学，自主研

14、发出的“超越3号”燃料电池轿车去年6月在第8届必比登清洁能源汽车挑战赛上取得了优异成绩30。在加紧氢能和燃料电池自主研发的同时，我国还积极参与国际合作。2003年11月，包括我国在内的15个国家和欧盟共同发起“氢能经济国际合作伙伴”计划，以协调和促进世界各国在氢能和燃料电池方面的研发工作31。另外，在联合国发展计划署和全球环境基金的资助下，科技部、北京市和上海市政府联合实施“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”，采用全球招标方式购买了3辆燃料电池公共汽车，目前已在北京试运行。2.氢能的应用前景 氢能在燃料内燃机，燃料电池汽车以及核能-氢能系统方面都有很大的应用前景。而按氢能释放形式(化学能和电

15、能)32，可将氢的应用分为直接燃烧和燃料电池两类。2.1.氢的直接燃烧利用 直接燃烧具体体现在内燃机方面。而现有市场对于利用内燃机的氢的直接燃烧方法要给予必要的重视和支持。液氢可作为火箭、导弹、汽车、飞机等的燃料。火箭推进器利用液氢和液氧在火箭发动机燃烧室内燃烧33，产生3 0004 000 K高温和几十大气压的蒸汽，以超音速通过火箭尾部喷管喷出，产生巨大推力。美国的阿波罗宇宙飞船、西欧的阿利亚娜火箭、日本的H1火箭及我国的“长征”运载火箭，均以液氢为燃料34。氢内燃机可作为燃氢汽车的动力装置。自20世纪70年代开始，德国宝马、奔驰，日本三菱，美国别林等公司均系统地研究开发了氢内燃机，其中，以

16、德国宝马公司的研发成果最为卓著。美国福特公司于1998年开始研究氢内燃机，其发动机热效率比汽油机约提高15。氢能飞机的试验早在1956年就曾在美国的B 57飞机上获得成功。1973年，NASA开始研究超、亚音速液氢飞机的设计方案35，洛克希德公司也进行了系统研究，目前已提出对波音、A300、D10等类飞机改用液氢燃料的设计方案。2.2.氢能在燃料电池中的应用 氢燃料电池是使用氢能的最高级、最有效的方式。氢能发电有多种形式，以燃料电池最为重要。燃料电池是一种将化学能直接转化为电能 的装置，能量转化效率高达80以上，远高于温差电池的10和太阳能电池的20的转化效率39。燃料电池的这一独特优点使它被

17、列为未来世界十大科技之首。作为“高效率、无污染、高效率、适用广、无噪声、具有连续工作和积木化”等优点的动力装置氢能燃料电池方面的发展尤为诱人40。而以氢为燃烧的燃料电池替代靠热机原理工作的发电机41，从根本上解决了汽车尾气对环境的污染问题。开发燃料电池电动汽车技术事在必行。而燃料电池有望成为航天、电动车辆和分散式供电的首选电源。在各种类型的燃料电池(分别以甲醇、天然气、煤气和氢气等为燃料)中，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适合应用于电动汽车上。1962年，杜邦公司研制出全氟磺酸膜。20世纪80年代末，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员将质子交换膜的铂催化剂作了大量改进，铂的

18、用量减少了90，使燃料电池朝实用化方向迈进了一大步。2001年，处于全球领先地位的加拿大巴拉德公司开发出了功率密度高达 l350 W/L的燃料电池组。美国能源部于l995年开始，实施PEMFC发展计划，开发用于电动汽车的PEMFC42。在美国能源部支持Power公司于1996年研制出世界上第一辆以液氢为燃料的PEMFC电动汽车。目前，美国、日本、欧洲各国的著名汽车制造厂商皆已加入到燃料电池的研究开发行列。燃料电池的技术开发竞争激烈，呈现出多极化趋势。戴姆勒克莱斯勒公司、福特、马自达、沃尔沃等公司与燃料电池生产商巴拉德公司联手43；丰田、五十铃、菲亚特等联合开发燃料电池技术。两者均宣布投资10亿

19、美元，并准备于近期在市场上推出燃料电池汽车。此外，本田公司单独开发，雷诺与日产公司结伴开发，大众、标致公司与意大利燃料电池商诺拉联手开发。作为氢能的最好的利用方式燃料电池技术44，目前有了很大的发展。比如，在汽车方面的应用。目前全世界有大约200辆大大小小的燃料电池车在示范。2005年5月结束的欧洲燃料电池公共汽车的示范也取得很大的成功，30辆城市燃料电池公共汽车一共行驶76万公里，运送乘客300万人次。目前看来，燃料电池汽车的实用化还需1520年，也许还会长一些45。其主要的制约是价格问题，目前，燃料电池电动汽车的成本太高，为l000$/kW以上，而普通汽车发动机的造价约为50$/kW。美国

20、能源部于2000年10月宣布，由它组织研制的电动汽车用PEMFC电池系统成本已降全150$/kW，其计划目标为50$/kW。最近，美国政府又拨款17亿美元46，开发氢燃料电池电动车，希望在20年内成功开发出具有经济竞争力的氢能车辆，取代目前的燃油汽车。最基本的目标是2020年实现500万辆氢燃料电池车上路47。我国国家科技部于1997年批准将燃料电池技术列为国家“九五”计划重大科技攻关项目之一，以大连化学物理研究所为牵头单位，在研制成功了30 kW PEMFC电动汽车。同时也有氢能基础设施的问题48。2003年底成立的16个国家与地区的政府机构 氢能经济国际合作伙伴(球髓)也将其商业化的时间表

21、定在2020年之后(能否按期实现，还很难说)。有没有近期氢能就可以派上用场的地方昵?答案是肯定的，最现实的就是刚才上面提到的内燃机的利用。2.3.氢能在其它领域的应用 无论是从能源需求还是从氢能特点考虑，氢能替代能源都具有现实性，除以上之外氢能在以下行业也都有着不可估量的发展潜力：(1)航天航空领域：利用氢和氧化剂发生反应放出的热能使航天事业看到了新的曙光。例如氢氧发动机，新型大功率运载火箭及动力装置的燃料都是这一应用的具体体现，而欧盟“CRYOPIANE”计划更是充分证明了液氢做为未来航空燃料的技术可行性。鉴于相同重量液氢的能量密度是煤油的2.8倍49，氢燃料对未来航空发展的影响可能是革命性

22、的，此外还有以氢为燃料的燃料电池供电的电动飞机、火箭发动机、氢内燃机等。(2)军事领域：以氢为燃料的燃料电池供电的潜艇，“攻击者”军用车，军用机车中、小规模供舰艇蓄电池充电的燃料电池电厂等50，都体现了氢能在军事方面优势。此外氢和氧化剂在催化剂作用下可从电化学反应过程中直接获取电能及利用氢的热核反应释放出核能。氢弹就是利用了氢的热核反应释放出的核能，是氢能的一种特殊应用。(3)能源领域：以氢为燃料的燃料电池，太阳能一氢能系统，生物质一氢能系统51。(4)交通运输领域：燃料电池汽车、大巴、各种适用的运载工具包括高尔夫车、工程车、铲车、卡车、起重车、矿山机车、自行车、摩托等。(5)工业领域：近几年

23、来燃料电池发展迅猛，燃料电池（F6AG HAGG，FH）技术的诱人前景使我们看到了氢作为能源的可行性52，氢作为重要的化工原料，在冶金、半导体工业的还原，保护性气体，等离子体新工艺燃料供给以及新材料制备工艺改进等方面都体现了其使用性。3.总结 氢能经济的发展对于各种行业来说无疑是一个福音，是机遇也是挑战。氢能的应用将势不可挡地进入社会的各个领域，由于氢能的应用日益广泛对于氢能的制取、储存等工艺的提高事在必行，所以我们应该关注氢能的发展，做好必要的准备，在未来的氢能经济中有所作为。参考文献：1 肖建民:论氧能源和氢能源系统.世界科技研究与发展 1997,19(1):8286.2 温廷琏:氢能.能

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35、ion,efficient renewable energy is attracting more and more attention.In this paper,the development and application of hydrogen energy are comprehensively summarized by a number of references.In this paper,the applications of hydrogen fuel in internal combustion engine and hydrogen battery are introd

36、uced emphatically.In this paper,the practical values of hydrogen energy in aviation,military,transportation,energy resource and industry,are presented widely.Key words:Hydrogen energy;Development status;Application prospect;Hydrogen engine;Hydrogen fuel cells 论文评阅人意见 论文（设计）题目 氢能的发展现状与应用前景 作 者 曹翠燕 评阅

37、人 李建华 评阅人职称 副教授 意 见 曹翠燕同学的本科毕业论文“氢能的发展现状与应用前景”选题处于本学科领域的前沿，研究内容具有重要的理论意义和实用价值。作者在调研总结了国内外相关文献的基础上，对氢气的制备方法、氢能的应用领域进行了全面的综述，并对目前氢能应用和发展前景进行了讨论。具体分析了当前我国内外氢能发展现状，并为以后氢能的制备和利用提出了有益的建议向，归纳准确，评述得当。文字条理清楚、撰写规范，技术用语准确，论文质量较好。本文工作表明，曹翠燕同学已经掌握了较为坚实宽广的基础理论和较为系统的专门知识，以及很强的独立工作能力。综上，我推荐曹翠燕同学参加本科学位论文答辩，并建议授予曹翠燕同

38、学理学学士学位。评阅人 签字 评阅意见 指导教师评语页 论文题目 氢能的发展现状与应用前景 作 者 曹翠燕 指导教师 王玉和 职 称 教授 评 语 本文较全面地概括了国内外氢能的发展现状，同时介绍了氢能的发展前景。其中，着重介绍了氢能在燃料内燃机和氢燃烧电池的应用，并且从氢能在航天航空领域、军事领域、能源领域、交通运输领域、工业领域等行业中的应用，阐述了氢能的实用价值。本论文观点明确、论证充分全面、逻辑严密、结构层次清楚，语言表达流畅、书写工整、格式规范，论文整体水平较高。曹翠燕同学具备了独立分析问题、解决问题的能力，写作态度认真，按期圆满完成了毕业论文。建议授予曹翠燕同学学士学位。指导教师签

39、字 论文等级 本科毕业论文（设计）答辩过程记录 院系 化学化工学院化学系 专业 化学 年级 2006 级 答辩人姓名 曹翠燕 学号 2006040125 毕业论文（设计）题目 氢能的发展现状与应用前景 毕业论文（设计）答辩过程记录：答辩是否通过：通过（）未通过（）记录员 答辩小组组长签字 年 月 日 年 月 日 本科毕业论文（设计）答辩登记表 院（系）：化学化工学院 专业：化学 年级：2006 级 论文（设计）题目：氢能的发展现状与应用前景 答辩人：曹翠燕 学号：2006040125 评阅人：李建华 指导教师：王玉和 论文（设计）等级：答辩小组成员：答辩小组意见：秘书签名：年 月 日 论文（设计）答辩是否通过：通过（）未通过（）论文（设计）最终等级：答辩小组组长签名：答辩委员会主席签名：