第六章 氢化学能

1、Xian Jiaotong University 第六章第六章 氢化学能氢化学能Xian Jiaotong University6.1 6.1 氢能概述氢能概述6.2 6.2 氢能的制取氢能的制取6.3 6.3 氢能的存储和运输氢能的存储和运输6.4 6.4 氢能的利用氢能的利用 本章主要内容本章主要内容Xian Jiaotong University二次能源又可分为两二次能源又可分为两类：类： 过程性能源过程性能源 （水能、风能、电能（水能、风能、电能）含能体能源含能体能源 （汽油、柴油（汽油、柴油 ）一次能源一次能源能源用户能源用户二次二次能源能源6.1 6.1 氢氢能概述能概述氢氢只是能

2、量的一种储存形式，只是能量的一种储存形式，是能源载体是能源载体，不是能源不是能源 Xian Jiaotong University目前目前“过程性能源过程性能源”尚不能大量地直接贮存尚不能大量地直接贮存，因，因此，汽车此，汽车、轮船、飞机、轮船、飞机等现代等现代交通运输工具就只交通运输工具就只能采用像柴油、汽油这一类能采用像柴油、汽油这一类“含能体能源含能体能源”。随着随着常规能源危机常规能源危机的出现，在开发新的一次能源的出现，在开发新的一次能源的同时，人们将目光也投向寻求新的的同时，人们将目光也投向寻求新的“含能体能含能体能源源”，氢能氢能正是一种人们期待的新的二次能源。正是一种人们期待的

3、新的二次能源。 Xian Jiaotong University2121世纪最有前途的能源有两种：世纪最有前途的能源有两种：氢能氢能受控核聚变能受控核聚变能Xian Jiaotong University氢氢的特点的特点氢位于元素周期表之首，它的原子序数为氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1 1，在常温，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。Xian Jiaotong University1 1）质量最轻的元素质量最轻的元素 2 2）导热性最好的气体导热性最好的气体。比比大多数气体的导热系大多数气体的导热系数数高高1010倍，因此在能源倍，

4、因此在能源工业中氢是极好的传热工业中氢是极好的传热载体。载体。Xian Jiaotong University3 3）氢是自然界存在最普氢是自然界存在最普遍遍的元素的元素。据。据估计它构估计它构成了宇宙质量的成了宇宙质量的75%75%，除，除空气中含有氢气外，它空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球存于水中，而水是地球上最广泛的物质。上最广泛的物质。Xian Jiaotong University4 4）除）除核燃料外，核燃料外，氢是发热值最高氢是发热值最高的燃料的燃料。1kg氢燃烧放出氢燃烧放出142.35kJ热量热量，约为汽油的，约为汽油的3倍，酒

5、精的倍，酒精的3.9倍，焦炭的倍，焦炭的4.5倍。倍。5）氢燃烧性能好，点燃快氢燃烧性能好，点燃快，与空，与空气混合时有广泛的可燃范围，而气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快且燃点高，燃烧速度快。Xian Jiaotong University6 6）氢气燃烧后产物是水，无污染，且可再生）氢气燃烧后产物是水，无污染，且可再生Xian Jiaotong University7 7）氢能利用氢能利用形式多形式多。既可作为动力燃料和热能燃料。既可作为动力燃料和热能燃料，又可作为，又可作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。氢用作结构材料。

6、8 8）氢存储方式多样氢存储方式多样。以气、液、固态形式存在，能。以气、液、固态形式存在，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。适应贮运及各种应用环境的不同要求。 总之，氢总之，氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及轻和储存及输送性能输送性能好、应用形式多等诸多优点，好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。赢得了人们的青睐。Xian Jiaotong University6.2 6.2 氢能的制取氢能的制取氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢能是一种二次能源，在人类生存的地球上，虽然氢是最丰富的元素，但自然界中氢多以化合物的形氢是最丰富

7、的元素，但自然界中氢多以化合物的形式的存在，氢气极式的存在，氢气极少。少。最最丰富的含氢物质是丰富的含氢物质是水水（H H2 2O O），其次就是），其次就是各种矿各种矿物燃料物燃料（煤、石油、天然气）及各种生物质等。因（煤、石油、天然气）及各种生物质等。因此要开发利用这种理想的清洁能源，必需首先开发此要开发利用这种理想的清洁能源，必需首先开发氢源，即研究开发各种制氢的方法。氢源，即研究开发各种制氢的方法。 Xian Jiaotong University氢的制取氢的制取 实验室中制氢气实验室中制氢气 主要包括活泼金属（金属氢化物）与水主要包括活泼金属（金属氢化物）与水/ /酸酸/ /碱的反应

8、：碱的反应：Xian Jiaotong University 水煤气法：水煤气法： 裂解天然气裂解天然气/ /石油制氢法石油制氢法 工业法制氢气工业法制氢气 以煤、石油、天然气为原料裂解制备氢气以煤、石油、天然气为原料裂解制备氢气煤焦化、气化煤焦化、气化焦炭焦炭 + H2 + 少量少量CH4 + COXian Jiaotong University 电解水法：电解水法：低温电解法低温电解法高温电解法高温电解法电极：电极：PtNi效率：效率：32%电极：多孔电极：多孔YO/ZrO2效率：效率：30-40%Xian Jiaotong University 热化学分解水制氢热化学分解水制氢要使水吸收

9、热能分解成氢气和氧气，需要要使水吸收热能分解成氢气和氧气，需要G0,即即T4700K，如此高的温度只能借助核反应堆。，如此高的温度只能借助核反应堆。将将热化学分解反应与太阳能、核能耦合热化学分解反应与太阳能、核能耦合，可以制备，可以制备廉价、清洁的氢气。太阳炉可以产生廉价、清洁的氢气。太阳炉可以产生1200，添加，添加AB热循环试剂热循环试剂(氧化物、硫化物、卤化物、硫酸氧化物、硫化物、卤化物、硫酸)Xian Jiaotong University利用太阳能分解金属氧化物的热化学循环：利用太阳能分解金属氧化物的热化学循环：Xian Jiaotong University硫硫-碘分解热化学循环：

10、碘分解热化学循环：总反应总反应Xian Jiaotong University 太阳能光电转换制氢及光化学分解水太阳能光电转换制氢及光化学分解水太阳能太阳能电能电能氢气氢气光电转换光电转换电解水电解水光催化分解水制氢，其核心是寻找合适的光敏催化光催化分解水制氢，其核心是寻找合适的光敏催化剂剂 生物质能制氢生物质能制氢生物秸秆生物秸秆富氢气体富氢气体气化、裂解气化、裂解厌氧发酵厌氧发酵富氢气体富氢气体Xian Jiaotong University 甲醇甲醇制氢制氢CO+2H2CH3OHZn催化剂催化剂CH3OH CO + 2H2CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2CH3OH +

11、 H2O CO2 + 3H2总反应总反应Xian Jiaotong University常用的制取氢气的方法原理图：常用的制取氢气的方法原理图：Xian Jiaotong University日产开发汽车燃料电池组及高压贮氢器日产开发汽车燃料电池组及高压贮氢器6.3 6.3 氢氢的储存与运输的储存与运输氢气的储存和运输是氢氢气的储存和运输是氢能应用的前提和关键；能应用的前提和关键；氢通常以氢通常以气态气态形式存在形式存在，这就为贮存和运输带这就为贮存和运输带来来很大困难很大困难。氢存储问题涉及到氢生氢存储问题涉及到氢生产、运输、最终应用等产、运输、最终应用等所有环节。所有环节。Xian Jia

12、otong University目前，氢的存储主要有三种方法：目前，氢的存储主要有三种方法：、和和。（1 1）高压）高压气态储存：气态储存：气态氢可贮存在地下气态氢可贮存在地下库或钢瓶库或钢瓶中。为减小贮存体积中。为减小贮存体积，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的，必须先将氢气压缩，为此需消耗较多的压缩功。压缩功。物理法储氢物理法储氢Xian Jiaotong University为提高贮氢量，目前正在研究一为提高贮氢量，目前正在研究一种种微型球床微型球床储氢装储氢装置。微球壁厚置。微球壁厚(110m)，微孔，微孔(10100m)，氢气贮，氢气贮存在微孔中。存在微孔中。微型球可用微型球可用塑料

13、塑料、玻璃玻璃、陶瓷陶瓷或或金属金属制造。制造。不同气体装在不同颜色钢瓶不同气体装在不同颜色钢瓶O O2 2 天蓝色天蓝色 黑字黑字N N2 2 黑色黑色 黄字黄字压缩空气压缩空气 黑色黑色 白字白字ClCl2 2 草绿色草绿色 白字白字H H2 2 深绿色深绿色 红字红字NHNH3 3 黄色黄色 黑字黑字石油液化气石油液化气 灰色灰色 红字红字乙炔乙炔 白色白色 红字红字 Xian Jiaotong University高压储存对器具抗压性、防漏性要求较高。因为氢高压储存对器具抗压性、防漏性要求较高。因为氢气易燃易爆气易燃易爆，在，在储存运输过程中安全性尤为重要！储存运输过程中安全性尤为重要

14、！对高压储气罐对高压储气罐的日常维护检的日常维护检修非常重要。修非常重要。Xian Jiaotong University将将氢气冷却到氢气冷却到-253-253，即可呈液态，然后，将其，即可呈液态，然后，将其贮存在高真空的绝热容器中。贮存在高真空的绝热容器中。液氢贮存液氢贮存工艺主要用于宇航领域，贮存成本高，工艺主要用于宇航领域，贮存成本高，安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目安全技术也比较复杂。高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点。前研究的重点。（2 2）低温液态储氢：低温液态储氢：Xian Jiaotong University 目前，一种在壁间目前，一种在壁间充满中孔微珠的绝热容器

15、已充满中孔微珠的绝热容器已经问世经问世。由于。由于这种微珠导热系数极小这种微珠导热系数极小，粒径细小，粒径细小，可可完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠混完全抑制颗粒间的对流换热；将部分镀铝微珠混入不镀铝的微珠中可有效地切断入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。辐射传热。 这种这种新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效新型的热绝缘容器不需抽真空，其绝热效果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液果远优于普通高真空的绝热容器，是一种理想的液氢贮存桶氢贮存桶，美国宇航局，美国宇航局已广泛采用已广泛采用这种贮这种贮氢容器氢容器 。Xian Jiaotong University在低温下，氢气液化

16、为液态。液态在低温下，氢气液化为液态。液态氢可以直接作为高效率燃料，适用氢可以直接作为高效率燃料，适用于汽车、火箭、宇宙飞船。于汽车、火箭、宇宙飞船。运载火箭氢燃料发动机运载火箭氢燃料发动机以液氢为燃料的汽车以液氢为燃料的汽车以以液液氢氢为为燃燃料料的的航航空空器器Xian Jiaotong University 氢与金属氢化物之间可进行氢与金属氢化物之间可进行可逆反应，当外可逆反应，当外界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金界有热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时，氢就以固态结合的形式储于其中。，氢就以

17、固态结合的形式储于其中。 用来用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。目前世界上已研究成功多种贮氢合金，的合金。目前世界上已研究成功多种贮氢合金，它们大致可以分为四类它们大致可以分为四类 。（3 3）储氢材料存储储氢材料存储：( (固态储氢固态储氢) )Xian Jiaotong University储氢合金吸氢和放氢微观过程储氢合金吸氢和放氢微观过程 储储氢氢合合金金材材料料 储氢合金装置储氢合金装置储氢钢瓶储氢钢瓶Xian Jiaotong University由于活性炭吸附性强，利用由于活性炭吸附性强，利用纳米碳管储氢已展现良好的纳米碳管储氢已展现

18、良好的前景前景，其，其储储氢量远大氢量远大于金属于金属氢化物氢化物，随着纳米，随着纳米碳碳管成本管成本下降，下降，这种储氢方法有可能这种储氢方法有可能实用化。实用化。 碳碳纳纳米米管管 Xian Jiaotong University氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着多种运输方式。氢的运输与氢的存储方式密切相关，存在着多种运输方式。氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态氢的输运可以是气态、液态和氢化物的形式，无论哪种状态都可以使用管道和车辆进行运输。都可以使用管道和车辆进行运输。Xian Jiaotong University6.4 6.4 氢能的利用氢能的利用氢能氢能航天航

19、天燃料燃料氢气氢气发电发电氢能氢能汽车汽车燃料燃料电池电池Xian Jiaotong University氢氢能汽车可有两种形式：能汽车可有两种形式： 通过内燃机燃烧氢产生动能通过内燃机燃烧氢产生动能，此时的燃料可以，此时的燃料可以是纯氢，也可以是氢与天然气的混合物。是纯氢，也可以是氢与天然气的混合物。 以氢为原料的燃料电池作为汽车的动力以氢为原料的燃料电池作为汽车的动力，即现，即现在我们所说的氢燃料电池汽车。在我们所说的氢燃料电池汽车。氢能汽车：氢能汽车：Xian Jiaotong University在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早在交通运输方面，美、德、法、日等汽车大国早已推出

20、已推出以氢作燃料以氢作燃料的示范汽车，并进行了几十万的示范汽车，并进行了几十万公里的道路运行公里的道路运行试验。试验。试验试验证明，以氢作燃料的汽车在经济性、适应性证明，以氢作燃料的汽车在经济性、适应性和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在和安全性三方面均有良好的前景，但目前仍存在贮氢密度小贮氢密度小和和成本高成本高两大障碍。两大障碍。Xian Jiaotong University福特汽车领先投产氢燃料内燃机福特汽车领先投产氢燃料内燃机目前制造一辆燃料电池目前制造一辆燃料电池车的花费大约是普通汽车的花费大约是普通汽车成本的车成本的100100倍左右，倍左右，只有那些为批量上市而只有那些为

21、批量上市而生产的车型才能产生经生产的车型才能产生经济效益，但其成本仍然济效益，但其成本仍然是普通汽车成本的是普通汽车成本的1010倍倍。Xian Jiaotong University氢能航空航天：氢能航空航天：早在第二次世界大战期间早在第二次世界大战期间，氢即，氢即用作用作A-2A-2火箭发动火箭发动机的液体推进剂。机的液体推进剂。Xian Jiaotong University19601960年液氢首次用作航年液氢首次用作航天动力燃料。天动力燃料。19701970年美国发射的年美国发射的“阿阿波罗波罗”登月飞船使用的登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭

22、燃料。现在氢已是火箭领域的常用燃料了。领域的常用燃料了。Xian Jiaotong University现在科学家们正在研究一种现在科学家们正在研究一种“固态氢固态氢”的宇宙飞的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要的动力燃料。在飞行期间，飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而零件都可以转作能源而“消耗掉消耗掉”。这样飞船在。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。宇宙中就能飞行更长的时间。 火箭重量每减轻火箭重量每减轻1kg1kg，可以多飞行，可以多飞行100100公里公里火箭一级分离时节省火箭一级分离

23、时节省40004000多美元，二级分离节省多美元，二级分离节省1 1万多美元万多美元 Xian Jiaotong University氢燃料电池：氢燃料电池：燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的直接转换成电能的装置。装置。这种这种装置的装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环卡诺循环”的的限制，其能量转换率高达限制，其能量转换率高达60%60%80%80%，实际使用效，实际使用效率则是普通内燃机的率则是普通内燃机的2 23 3倍。倍。Xian

24、Jiaotong University氢燃料电池工作原理：氢燃料电池工作原理：工作时，负极的燃料工作时，负极的燃料(氢氢)，失去电，失去电子形成子形成H+：2H24H+4e-，H+进入进入电解质中，而电子则沿外部电路电解质中，而电子则沿外部电路(含含负载负载)移向正极。移向正极。氧在正极获得氢离子和电子反应为氧在正极获得氢离子和电子反应为水：水：O2+4H+4e-2H2O。Xian Jiaotong University采用氢燃料电池的实验车采用氢燃料电池的实验车氢燃料电池的应用：氢燃料电池的应用：把化学能直接转化为电能供机械应用把化学能直接转化为电能供机械应用Xian Jiaotong University在旧金山召开的英特尔开发商论坛上，千年电池公在旧金山召开的英特尔开发商论坛上，千年电池公司向人们展示了一台运行原型