氢能源的制备存储

1、氢维.源的制备存储Q文档编制序号：KK8UYKK8UY LL9IO69LL9IO69 TTO6M3TTO6M3 MTOL89MTOL89 FTT688FTT688氢能源的制备与存储前言:氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的, 而不像煤.石油.天然气可以直接开采，今下儿乎完全依靠制取得到, 如果能回收利用工程废氢，每年大约可以回收到大约1亿立方米，这个 数字相当可观。本文通过介绍氢能源的制备与存储来研究氢能源。一氢能源的主要制取方法目前我国97%的氢气是由化石燃料生产的，其余的通过水电解法生产。化石燃料制造氢气要向大气排放大量的温室气体，对环境不利。水电解 制造氢气则不产生温

2、室气体，但是生产成本较高。因此水解制氢适合电 力资源如水电、风能、地热能、潮汐能以及核能比较丰富的地区。1以煤为原料制氢煤是我国最主要的化石能源，其主要成分是碳，也有很少的碳氢化合 物。煤制氢的本质是以碳取代水中的氢，最终生成氢气和二氧化碳。这 里，碳起到化学试剂作用并为置换反应提供热。氢儿乎全来H于水。以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种:一是煤的焦化（或称高温干馆）,煤在隔绝空气条件下，在900lOOOC制取焦碳，副产品为焦炉煤气。焦炉煤气组份中含氢气5560%（体积）、甲烷2327%氧化碳58%等。每吨煤可得煤气300350m3,作为城市煤气，亦是制取氢气的原料。重油是炼油过程中的残余

3、物，可用來制造氢气。重油部分氧化过程中碳 氢化合物与氧气、水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。该过程在一定的压 力下进行，可以采用催化剂，也可以不采用催化剂，这取决于所选原料 与过程。催化部分氧化通常是以甲烷或石脑油为主的低碳烧为原料，而 非催化部分氧化则以重油为原料，反应温度在11501315C。重油部分 氧化制得的氢主要来自水蒸气。4水电解制造氢水电解制造氢气是成熟的制造氢气的方法，己有80余年生产历史。水 电解制得的氢气纯度高，操作简便，但需耗电。水电解制氢的效率一般 在7585%.一般生产lm3氢气和0 5ni3氧气的电耗为45kWh。根据 热力学原理，电解水制得lm3氢气和0. 5m3氧气

4、的最低电耗要2. 95度电。所以有的发明家得到低于此值的结果就不可信了。当然，如果是电 解水溶液，得到氢和另一种非氧的产物，其电耗另当别论。水电解制氢 的本质是以电能打开水中的氢和氧的结合键，最终生成氢气和氧气。这 里的氢全部來自于水。目前我国水电解主要用石棉布电介质和强碱性水溶液，能耗大、不环 保。近年己经成功开发采用固体高分子离子交换膜代替石棉布作为电解 质，直接电解纯水的新技术。水电解制氢所需电能可由各种一次能源提供，其中包括化石燃料、核能 或太阳能.水能、风能及海洋能等可再生能源。大型供电系统在低谷时 电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的。随着可再生能源地位的提 高、发电成本的降低，

5、相信水电解制氢会得到更大的发展。二氢气的储存研究发现，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和压力 条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时 放出热量。其后，将这些金属氢化物加热， 它们又会分解， 将储存在其 中的氢释放出来。 这些会“吸收”氢气的金属，成为储氢合金。常用的 储氢合金有：稀土系（AB5型）、钛系（AB型）、错系（AB：型）、镁系（A：B型）四大系列。自20世纪70年代起，储氢合金就受到重视。为改善合金的储氢性能和降低成本，科技工作考们合金成分、制备工艺等方 而进行不懈的探索。储氢合金的优点是有较大的储氢容量，单位体积储氢密度是相同温 度、圧力条件下气

6、态氢的1000借，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气，其单位体积储氢密度可高达4050kg/m3o储氢合金安全性也 很好，即使遇枪击也不爆炸。该方法的缺点是质量储氢密度低，多数储氢金属的质量密度仅为在车上使用会增加很大的负载。另外，储氢合金易粉化。储氢时金屈氢化物的体积膨胀，而解离释氢过程又会发生体积收缩。经多次 循环后，储氢金属便破碎粉化，氢化和释氢变得越来越困难。例如具有 优良储氢和释氢性能的LaNL，经10次循环后，其粒度由20目降至400目。如此细微的粉末，在释氢是就可能混杂在氢气中堵塞管路和阀门。储氢合金的低温特性不好，要是储氢合金释放氢，必须向合金供应热 量，AB5型合金需

7、加热温度最低，为40、5CrC,而镁基合金则需加热到3009左右。实际应用中还装设热交换设备，进一步增加了储氢装置的体积和重量。同时车上的热源也不稳定，因此储氢合金难以在汽车上应 用。上 ffi 三种储氢方法是目前实际应用的主流，特别是高压储氢方法应用 最为广泛。但是，都没有达到美国能源部的最低储氢要求。所以，科学 家正在积极探索新的储氢方法，例如玻璃微球储氢、无机物储氢.高压 及液氢复合技术、储氢合金与高压复合技术以及地下岩洞储氢等等。五?储氢新方法无机物储氢是有希望近期工业化的储氢方法之一。不少离子型氢化 物，如络合金属氢化物NHBHo NaBH；等加热可分解放出氢气，其理论质量储氢密度分

8、别高达19. 6%和10. 7%.引起了科学家的注意。其实，这些可以算是较早的储氢材料，我国在20世界50年代就开始了这类氢化物 合成和应用的研究。近年来国内外的研究更注重实用化，主要聚焦在释 放氢用催化剂.吸放氢速度控制.氢化物复用等方面。这类储氢系统用 于氢燃料汽车的主要问题是系统的动态响应， 另外， 化合物的高昂价格 也是大问题。 除上述的氢化物外， 我们常见的氨（NHJ也是一种有效的氢 载体，经分解和重整后可从中获得大量氢气。有机物储氢也是一种有希望储氢方法。有机液体化合物储氢剂主要是 苯和甲苯，其原理是苯（或甲苯）与氢反应生成环乙烷（或甲基环己 烷），此载体在0. IMPa.室温下呈

9、液体状态，其贮存和运输简单易行,通过催化脱氢反应产生氢以供使用，该贮氢技术具有储氢量大（环乙烷 和甲基环己烷的理论贮氢量分别为7, 19%和6. 18%）.能量密度高、储存设备简单等特点，已成为一项有发展前景的储氢技术。有机液体氢化物作为氢载体的贮氢技术是在20世纪80年代发展起來 的。美国布鲁克海文国家实验室（BNL）首先成功的将Lanis等粉末加入 到3%左右的十一烷或异辛烷中，制成了可流动的浆状储氢材料。近年 來，浙江大学在国家氢能973项目的支持下，系统研究了高温型稀土-镁 基储氢合金及其氢化物在浆液中催化液相苯加氢反应的催化活性，对合 金相结构.微观结构形貌、表面状态及吸放氢性能的影

10、响及其相关机 制，提出了合金表面与有机物中碳原子发生电荷转移的新机制。但该体系的缺点也很突出，加氢时放热量大.脱氢时能耗高，脱放氢 时的温度在lOOOC左右，也正是氢循环时的高温限制了它的应用。该系 统能否应用的关键性问题是要开发低温高效、长寿命的脱氧催化剂。碳质储氢材料一直为人们所关注。碳质储氢材料主要是高比表面活性 炭.石墨纳米纤维和碳纳米管。特殊加工后的高比表面积活性炭，在2、4MPa和超低温（77K为液氮的温度）下，质量储氢密度可达5 37 4%,但低温条件限制了它的广泛应用。23. 33L/g纳米石墨纤维的实验结果，比现有的各种储氢技术的储氢容量高出2个数量级，引起了世人的瞩目。按照她的结果推算，按现有 汽车的油箱大小的体积，装上纳米碳储氢，一次储氢足够燃料电池汽车 行驶8000公里。此外，1999年7月2口的科学杂志介绍了新加坡国 立大学的科学家在碳纳米管中嵌入钾离子和锂离子之后，在20040（rC时 吸放氢的数据相当高。一时，纳米碳储氢成为炙手可热的题目，世界上 许多科学家都参与研究开