清洁能源-氢能-课件

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电解水制氢的方法
就目前而言，以碱液为介质、采用加压、高温方法电解 水制氢是已经发展得比较成熟的一种操作简单、可以大 规模制氢的方法，但该法所制氢气仅占全球氢气总产量 的1～4%。
电解水制氢存在的最大问题是槽电压过高，导致电能消 耗增大，进而导致成本增加，这也是目前该技术无法与 化石燃料制氢技术竞争的主要原因。
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为什么氢是永恒的能源？
氢的资源丰富 存在形式 氢的来源丰富 制取方法 氢是最环保的能源 利用低温燃料电池，由电化学反应将氢转化为电能和水，
不污排 染放。CO2和NOx；使用氢燃料内燃机，也可显著减少 氢气具有可储存性 与电、热最大的不同 氢的可再生性 循环－永无止境 氢是“和平”能源 －中东战争 氢是安全能源 氢的扩散能力很大，不具毒性及放射性
清洁能源 氢能
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主要内容
前言 氢能发展史 氢的制取 氢的储存与输运 氢的应用 氢的安全性
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让我们带着以下问题走进氢能的世界
什么是 氢能
氢能的 限制
氢能的一 般特性
氢能
氢能的 生产
氢能的储 存与运输
氢能的利 用现状
前言
二次能源
联系一次能源和用户的中间纽带，可分为 “含能 体能源” 和“过程性能源”，目前电能是当前应 用最广的“过程性能源”。
IAHE随后创办了《国际氢能杂志》并举行了两年一次 的世界氢能大会。
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氢能发展史－步入工程探索阶段
二十世纪80年代，德国认真地提出HYSOLAR计划， 它是德国/沙特在阿拉伯半岛的项目，计划用沙漠地带 的太阳能制氢。改项目已经过实验示范了太阳发电和 电解的直接结合，示范功率达到350kW。
德国还考虑利用加拿大廉价的水电就地电解水制氢， 液化后用船运输液氢到欧洲。
由于目前冰岛所使用的能源主要来自地热和水力发电， 因此主要采用电解水技术(在加氢站就地)制氢，以燃 料电池作为主要动力设备。
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现状与展望
目前全世界每年约生产5×1012 Nm3氢气，主 要用于化学工业，尤以合成氨和石油加工工业 的用量最大。90%以上的氢气是以石油、天 然气和煤为原料制取的，北美95％的氢气产 量来自天然气蒸汽重整。若设想将这些氢气全 部作为能源，仅相当于全球年能耗的1.5%。
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1.3.2 低温吸收—吸附法
纯化仍需分两步进行：首先，根据原料氢中杂质的种类， 选用适宜的吸收剂，如甲烷、丙烷、乙烯、丙烯等，在 低温下循环吸收和解吸氢中杂质。例如可用液体甲烷在 低温下吸收CO等杂质，然后用丙烷吸收其中的CH4， 可得到99.99%的H2。然后，再经低温吸附法，用吸附 剂除去其中微量杂质，制得纯度为99.999－ 99.9999%的高纯氢。
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现状与展望
真正的“氢经济”距离人们的日常生活还比较遥 远
主要原因是氢能的大规模利用离不开大量廉价氢 的获得和安全、高效的氢气储存与输送技术，以 及应用技术的开发。而现阶段的科技水平与这些 条件相比尚存在一定差距，急需解决很多技术方 面的难题。
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现状与展望
譬如，就目前而言，只有通过矿物燃料(主要是天 然气)重整技术才能获得相对廉价的氢，并非长远 之计，因而，能否开发其他真正可持续发展的、 大规模的廉价制氢技术将成为“氢经济”能否最 终实现的关键所在；另外，氢气以何种方式储存 及输送最经济、最合理也是亟待解决的问题 。
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其它已开展的大规模氢能开发项目
冰岛于1999年在其首都雷克雅未克启动了“生态城市 交通系统”(Ecological City Transport System, ECTOS)计划，并为此专门成立了冰岛新能源公司 (Icelandic New Energy Ltd.)负责实施该计划其总体 目标是在2030年左右，冰岛全境实现以氢能替代传统 燃料。
煤气化技术按气化前煤炭是否经过开采而分为 地面气化技术(即将煤放在气化炉内气化)和地 下气化技术(即让煤直接在地下煤层中气化)。
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煤气化的重要意义
煤气化制氢曾经是主要的制氢方法，随着石油工业的兴 起，特别是天然气蒸汽重整制氢技术的出现，煤气化制 氢技术呈现逐步减缓发展态势。
但对中国来说，煤炭资源丰富(我国是世界上少数以煤 炭为主的国家之一，1997年我国的煤炭消费占一次能 源的73.5%。到2030－2050年，煤在我国一次能源消 费中仍将占50%以上)，价格相对低廉，而天然气价格 较高，资源储量并不大，因此对我国大规模制氢并减排 CO2而言，煤气化是一个重要的途径。
CH4 + H2O = CO + 3H2 CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2
△H = + 49 kcal／mol △H = - 9 kcal／mol
自热重整(ATR)反应：
CH4 + xO2 + (2－2x) H2O = CO2 + (4－2x) H2
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1.1.2 煤气化
所谓煤气化，是指煤与气化剂在一定的温度、 压力等条件下发生化学反应而转化为煤气的工 艺过程。
甲烷可在氧气中部分氧化(partial oxidation, POX)生成 合成气(水煤气) ：
CH4 + 1/2 O2 = CO + 2H2
△H = - 9 kcal／mol
此反应使用或不使用催化剂均可
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（4）自热重整的原理反应
自热重整(Autothermal reformingATR)是在氧气内部燃烧的反应 器内完成全部烃类物质转化反应的过程。ATR反应是结合SMR 和POX的一种新方法，最早出现于1970年代。如上所述，POX 是个放热反应，ATR法是将POX反应放出的热量提供给SMR， 既可限制反应器内的最高温度又可降低能耗。
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为什么氢是永恒的能源？
氢的燃烧热值高 高于所有化石燃料和生物质燃料
名称
表3-1 几种物质的燃烧值
氢气 甲烷 汽油 乙醇 甲醇
燃烧值 / kJ ·kg-1 121, 061 50, 054 44, 467 27, 006 20, 254
氢的燃烧稳定性好 燃烧充分
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氢－能量转化的载体
由于具有上述优点，而且目前电能存在 着难以储存、远程输运时损耗大的缺点，
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(1) 煤地面气化技术
煤
气化
煤气净化 CO变换 H2提纯
H2产品
气化剂
灰渣
副产品硫 水蒸汽
尾气
副产CO2
煤气化制氢技术工艺流程
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(1) 煤地面气化技术
煤气化制氢主要包括三个过程，即造气反应、水煤气转 化反应、氢的纯化与压缩。
造气反应方程式为： C(s)+H2O(g)→CO(g)+H2(g) △H= +131.2 kJ/mol
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氢能发展史－为科学家认可
近年来燃料电池技术—低温的质子交换膜燃料电池和高 温的固体氧化物燃料电池—发展迅速，被广泛认为将成 为未来人类社会中主要的动力来源，尤其是用于发电和 交通工具方面
而燃料电池最适宜的燃料就是氢。因此，科学家们预测， 氢能将与电能一起成为未来能源体系的两大支柱。
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21世纪将是“氢经济(Hydrogen economy)”时代
在第二阶段(Phase II)，氢能初步进入市场，便携式电源和 固定/运输系统开始实现商业化，并在国家政策的引导下开 始与氢能相关的基础建设投资；
进入第三阶段(Phase III)后，氢能源和运输系统实用化，市 场和基建投资规模不断扩大；
第四阶段(Phase IV)为市场与基础建设均已完善的阶段，氢 能源和运输系统广泛应用于各个领域，完全实现“氢经济”。
水电解制氢目前主要包括三种方法，分别是碱性水溶液 电解、固体聚合物电解质水电解和高温水蒸气电解。
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1.3 氢气提纯
无论采用何种原料制备氢气，都只能得到含氢的混合气， 需要进一步提纯和精制，以得到高纯氢。
氢气提纯方法较多，但有些方法不适宜用来制备高纯氢， 如膜分离法，所得产品纯度低，无法达到高纯氢纯度要求。 一些常用的氢气提纯精制方法，如冷凝法、低温吸收法， 单独使用时净化所得产品难以达到要求。
故在未来能源体系中，氢能将成为各种 能量形式之间转化的最优良载体。
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氢能发展史－发展期
1970年，通用汽车公司的技术中心提出“氢经济”的 概念，主要的思路是利用大型核电站的电力电解水制氢。
1974年，受石油危机的影响和启迪，一些学者组建了 国际氢能协会(International Association for Hydrogen Energy, IAHE)。
煤的地下气化技术同样被认为是实现大规模制氢的候选技 术之一。
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煤炭地下气化原理图
1.2 电解水制氢
业已发展成熟的制氢方法很多，但在可开发性方面，却 尚未发现比水电解法更为优越的方法，因而电解水制氢 是最有应用前景的一种方法，它具有产品纯度高、操作 简便、无污染、可循环利用等优点。
传统的电解水制氢技术已经商业化80余年，但其现状仍 很不令人满意。2002年全球氢气年产量约为4.1×107 t，而 采用电解水方法获得的氢气不超过5%。
目前，用于精制高纯氢的方法主要有：冷凝－低温吸附法、 低温吸收－吸附法、变压吸附法、钯膜扩散法、金属氢化 物法以及这些方法的联合使用。
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1.3.1 冷凝－低温吸附法
纯化分两步进行：首先，采用低温冷凝法进行预处 理，除去杂质水和二氧化碳等，需在不同温度下进 行二次或多次冷凝分离。再采用低温吸附法精制， 经预冷后的氢进入吸附塔，在液氮蒸发温度(-196℃) 下，用吸附剂除去各种杂质。如可用活性氧化铝进 一步除去微量水，分子筛吸附除O2，除N2，硅胶除 CO、N2、Ar，活性炭除CH4等等。吸附剂用加热 H2再生。工艺多采用两个吸附塔交替操作。净化后 H2纯度达99.999－99.9999%。