绿色化工与环保清洁能源的生产-氢能及燃料电池

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.1、氢能特点
特点
氢能利用形式多
既可以通过燃烧产生热能 发电 做功
作为能源材料用于燃料电池 转换成固态氢用作结构材料
用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在 的内燃机稍加改装即可使用 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各 种应用环境的不同要求
2.2氢能现状 氢能应用链示例
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2.1、氢能特点
二次能源
“过程性能源”
电能
可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能
、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能
“含能体能源” 柴油、汽油
氢能正是一种理想的新含能体能源
生产它们几乎完全依靠化石燃料
随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要
绿色化工-清洁燃料能源
一、能源
一、能源
不同储能方法的储能密度（重量密度，体积密度）
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一、能源
一、能源
一、能源
一、能源
OR
化石能源的特点 温室效应 CO2的排放量逐年增加 卡诺循环限制
转化效率低、能源浪费 严重 污染严重 粉尘、CO2、NOx
化工生产应遵循“绿色化学12条原则”
一、能源
化合态氢的最常见形式是水和有机物（如石油、煤炭、天然气及生命体等）。 在地球上自然存在的氢的单质（如氢气）数量极少。因此，欲获得大量的单质氢只有依 靠人工制取
天然气、石油、煤炭、生物质能及其他富氢有机物等，都是氢的有效来源 氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算，9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧） ，而氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢， 可使氢的制取和利用实现良性循环，真是取之不尽，用之不竭 工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径
氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除 空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上 最广泛的物质。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
2.1、氢能特点
特点
除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最 高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍
2.4 储氢-关键的中间环节！
储氢方法特点
车载气态储氢罐 [1]
液态储氢罐 [2]
固态材料储氢 [3]
金属镁
体积密度低 需要高压力 压缩氢气需要较 高能耗
体积密度高 (70g/L) 压缩并冷却液化需要 更高能耗（约1/3所制 得液氢的燃烧热值）
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储氢密度潜在能力高
但综合性能距离目标 值仍然很大
2.4 储氢材料
氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃 点高，燃烧速度快
氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁， 除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、 二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环 境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也 不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢， 反复循环使用
储氢合金
氢能被认为是人类最理想、最长远的能源。 作为氢气载体的贮氢合金的研究开发及其产业化是世界性 关注的课题。
贮氢合金是一种特种金属功能材 料，用贮氢合金制作的镍氢电池 是一种清洁、高效的绿色能源。
纳米储氢法
2.4 储氢材料
新型储氢方法
高压液化氢气槽 金属氢化物 碳基吸附剂
新能源的要求
高效、清洁、经济、安全 太阳能，风能，潮汐能? 生物质能? 氢能？
二、氢能
2.1、氢能特点
– 氢蕴藏于浩瀚的海洋之中
海洋的总体积约为13.7亿立方–千米，若把其中的氢提炼出来，约有 1.4×1017吨，所产生的热量是地–球上矿物燃料的9000倍
未来最有前途的能源
氢能 受控核聚变能 而这两种能源都与氢元素息息相关， 前者直接利用氢， 后者则利用氢的同位素——氘
枯竭
这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源
2.1、氢能特点
特点
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 -252.7°C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
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 ，因此在能源工业中氢是极好的传热载体
三大技术环节：制氢，储氢，用氢
制氢
储氢
US DOE 2020系统储氢性能目标： gravimetric capacity 5.5wt% volumetric capacity 40g/L operating temperature 40~60?C max. delivery pressure 12 bar
Novel Solid materials for hydrogen storage
Metal hydride
Complex hydride
Carbon-based material
Noncarbonaceous nanotube
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2.4 储氢材料
用氢
常温常压下 氢气体积密度： 0.089 g/L 6 kg氢气的体积：5米直 径的球 提升压力至700 bar: 150 L
2.2氢能现状
氢能有待解决的关键问题
廉价的制氢技术 安全可靠的贮氢和输氢方法
氢易气化、着火、爆炸
2.3 氢的来源
在宇宙中氢是最丰富的物质，氢在自然界多以化合物形态出现 在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占据1％，原子组成占 据15．4％。
.3 氢的来源
2.3 氢的来源
2.4 储氢-关键的中间环节！
2.4 储氢-关键的中间环节！
氢燃料的储存方法大体可以分为三种：
➢高压储氢法 也称为气态储氢法，是将氢气加压储存在储氢容器内，形式上和 天然气车CNG气瓶类似。优点是在三种储氢方式中成本最低，储氢 密度较大，缺点是安全性较低。 ➢液态储氢法 在20.28K（-252.77摄氏度）的超低温下将氢气液化，然后储存在低 温容器内。优点是储氢密度最大，缺点是成本高，附属系统庞大， 故不适合做车载容器。 ➢固体储氢法， 利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体 材料中。固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存 和液态储存之后，最有前途的研究发现