新能源氢气概论

1、Chapter 5 Hydrogen I believe that water will one day be employed as fuel, that hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not capable. I believe then that when the deposits of coal are exh

2、austed, we shall heat and warm ourselves with water. Water will be the coal of the future.Jules Vernes(1870) Lle mystrieuseMain Contents 5.1 Basic concepts5.2 Hydrogen production5.3 Hydrogen Storage and Transportation 5.4 Hydrogen Application - Fuel Cell5.5 Challenges with Hydrogen5.1 Basic concepts

3、5.1 Basic concepts 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。 氢能是指氢气所含有的能量，氢是一种二次能源，或称含能体能源，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。氢能具有资源丰富、热值高和燃烧性能好等特点。1 氢能的特点氢有以下特点：（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-252.7C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，因此氢是极好的传热载体。（3）氢是

4、自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75，主要以化合物的形态存在于水中。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9000倍。（4）除核燃料外，氢的热值是所有化石燃料和生物燃料中最高的，为142.351kJ/kg，是汽油热值的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。（6）氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生二氧化碳等污染物质，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。（8）

5、氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物存在，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。 目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能的大规模商业应用还需解决以下关键问题：（1）廉价的制氢技术：氢是二次能源，制取需要消耗大量能源，目前制氢效率很低，必须寻求大规模制氢技术（2）安全可靠的储氢和运输方法：氢在常温下为气态，单位质量体积大，而液态氢又极易气化，加上易泄漏、着火、爆炸，因此安全可靠的储氢和运输方法是开发氢能的关键。（3）大规模高效利用氢能的设备：如以氢为燃料的燃料电池。2 氢能应用的关键问题3 Hydrogen EconomyA futuristic vision of an economy bas

6、ed on hydrogen as the primary energy rather than fossil fuels 20世纪70年代能源危机后不久，1974年在美国迈阿密召开的氢能经济会议上，一些科学家正式建议将氢能作为解决全球能源和环境问题的方案。“氢经济”这个名词的使用是为了概括性地表述人们期望整个社会的能源需求都以氢能提供。 “氢经济”的支柱是大规模地、廉价地制取氢。由于氢能是二次能源，它的获取是要消耗一次能源的，因此利用太阳能大规模地制氢是实现“氢经济”的关键。 著名氢能学者约翰博基斯在他的“太阳-氢能，拯救地球的动力”一书中是这样描述未来太阳-氢能系统的： 将太阳光能转化成电

7、能； 电解水，得到氢气和氧气； 用管道或车船将氢气输送到居民区和工业中心； 在居民区和工业中心，氢气作为一种燃料代替汽油和柴油用于内燃机或燃料电池，输出机械能、热能或电能 所有这些过程的最终产物是水，水也是这些过程中使用的原料 5.2 Hydrogen production1 Hydrogen Production StatusCurrent hydrogen production 48% natural gas30% oil18% coal4% electrolysisGlobal Production50 million tonnes / yrGrowing 10% / yrUS Prod

8、uction11 million tonnes / yrElectrolysis of waterUse electricity to split water into O2 and H2Reforming fossil fuelsHeat hydrocarbons with steamProduce H2 and COBiological processesExperimental in laboratories2 How is Hydrogen Produced?3 Hydrogen from renewable energy1) Electrolysis of water水电解制氢 工作

9、原理是：将增加水导电性的酸性或碱性电解质溶于水中，让电流通过水，在阴极和阳极上分别得到氢和氧。电解水需要的能量由外加电能提供。2) Renewable Energy for Electrolysis of waterHydrogen can be produced via electrolysis of water from any electrical source, including utility grid power, solar photovoltaic (PV), wind power, hydropower, nuclear power, etc. Electrolysis u

10、sing PV or wind power is currently the most common method of producing renewable hydrogen.3) Hydrogen from Biomass生物质制氢是利用微生物在常温常压下进行酶催化反应制氢的方法，分为厌氧发酵有机物制氢和光合微生物制氢。厌氧发酵有机物制氢是在厌氧条件下，通过细菌利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将其分解制取氢气的过程。底物包括甲酸、脂肪酸等有机物和淀粉等糖类，这些底物广泛存在于工农业生产的污水和废弃物之中。光合微生物制氢是指微生物（细菌或藻类）通过光合作用将底物分解产生氢气的方法。 生

11、物质热化学转换制氢：是指将生物质通过热化学反应转换为富氢气体的方法。基本方法是将生物质原料压制成型，在气化炉中进行气化或裂解反应，制得富氢燃料气。Biomass Electrolysis ModuleDirect solar thermal dissociation离解 of water uses the high temperatures generated by solar collectors to separate water into hydrogen and oxygen. There are certain types of algae that will produce hyd

12、rogen as a byproduct of photosynthesis, requiring only sunlight, carbon dioxide, and water. Hydrogen can be produced from municipal solid waste “landfill垃圾填埋场 gas” and waste gases from water treatment plants. 4) Other Renewable Hydrogen Production Options4 Non-renewable Hydrogen production从含烃的化石燃料中制

13、氢（天然气制氢、煤制氢）这是目前采用最多的方法，以天然气为原料。天然气的主要成分是甲烷CH4，在甲烷制氢反应中，甲烷分子惰性很强，反应条件十分苛刻，需要首先活化甲烷分子，温度低于700K时，生成合成气（H2+CO混合气），在高于1100K的温度下，才能得到氢气。甲烷制氢主要用水蒸气重整法，这是一个强吸热反应，反应需要的热量由天然气的燃烧供给，制氢过程能耗很高，而且需要在耐高温不锈钢的反应器内进行，投资较高。5.3 Hydrogen Storage and transportation 氢气在高压状态下储存在钢瓶内。常温常压下，储存4kg气态氢需要43m3的容积。储氢容量与压力成正比，储氢重量占

14、钢瓶重量的1.6%左右。这种方法要消耗一定的能量形成高压，钢瓶造价高。 高压气态储氢 在一个大气压下，氢气冷冻至-253以下即变为液态氢，冷液化储氢存储效率高，能量密度大，成本高。氢的液化要消耗大量能源。液氢与外界温度相差悬殊，隔热特别重要，储存容器采用有多层绝热夹层的瓶子。对于特殊用途，例如运载火箭，适合采用冷液化储氢。 冷液化储氢 金属氢化物储氢是用储氢合金与氢气反应生成可逆金属氢化物来储存氢气。调节温度和压力后，金属氢化物分解并放出氢气，本身又还原到原来的合金。金属是固体，密度较大，在一定温度和压力下，表面能对氢起催化作用，促使氢元素由分子态转变为原子态而能够钻进金属内部，而金属就像海绵

15、吸水那样能吸取大量的氢。需要使用氢时，氢被从金属中“挤”出来，加热金属氢化物即可放出氢。储氢合金按其材料的主要金属元素分为稀土系、镁系、钙系、钛系等。 金属氢化物储氢 碳质材料储氢主要有超级活性炭吸附储氢和纳米碳储氢。超级活性炭是一种具有纳米结构的储氢碳材料。其特点是具有大量微孔，在细小的微孔中，孔壁碳原子形成较强的吸附势场，使氢气分子在这些微孔中得以浓缩。 碳质材料储氢Transporting Hydrogen 氢可以像其他燃料一样，用储罐车或管道输送。安全问题主要体现在以下几方面： 泄漏性，氢很轻，比液体燃料和其它气体燃料更容易泄漏。 爆炸性 扩散性 液氢温度很低5.4 Hydrogen

16、application-Fuel Cell1 Hydrogen Utilization: the growing role of fuel cellsHydrogen fuel cells use hydrogen to generate electricity:By-product is clean water.Efficiency: 45% (present), 60% eventually.Cost: DurabilityReliability:Fuel cells have been used by NASA for over 20 years2 What is a Fuel Cell

17、?An electrochemical energy conversion deviceInputs:HydrogenOxygenOutputs:ElectricityWaterHeat燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。当不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。氢燃料电池基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。 20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后，随着人们

18、不断地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多公里，时速达每小时140-150公里。 燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。燃料电池车能量转化效率高达60-80%，为内燃机的2-3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。 3 Hydrogen Fuel Cell Car PortablePrototype May 04Commercial Dec 04$3012-15 hours talk time4

19、Markets TransportableCompressed hydrogen1 kW$6,495 Transportable Transportation - Autos Transportation - Buses Stationary - Small1 kW$6,500 Stationary - Medium5 kW$50,000 200 kW$800,000Stationary - Large(Pounds of emissions per 1,000 kWh)Average U.S.fossil fuel plantFuel CellCombined cyclegas turbin

20、e24.890.60.040510152025NOxCONon-methanehydrocarbonsParticulateSOx5 Emissions5.5 Challenges with HydrogenTechnology and economics challenges Fuel cell products today are generally not competitive against other market options Major cost reductions are required Fuel production, distribution and storage

21、 are major issues Hydrogen is made either by electrolysis of water, or by fossil fuel reforming. There is emissions of the manufacture of hydrogen. Hydrogen is made from natural gas which emits CO2 Using renewable energy source to generate hydrogen by electrolysis would require greater energy input than direct use of the