新能源概论课件5en

2 氢能应用的关键问题
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。
Jules Vernes (1870) L´île mystérieuse
Main Contents
5.1 Basic concepts 5.2 Hydrogen production 5.3 Hydrogen Storage and Transportation 5.4 Hydrogen Application -- Fuel Cell 5.5 Challenges with Hydrogen
–By-product is clean water. • Efficiency:
–45% (present), 60% eventually. • Cost: • Durability • Reliability:
• Fuel cells have been used by NASA for over 20 years
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-252.7°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。 （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。
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 exhausted, we shall heat and warm ourselves with water. Water will be the coal of the future."
4 Non-renewable Hydrogen production
从含烃的化石燃料中制氢（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。
5.1 Basic concepts
5.1 Basic concepts
1 氢能的特点 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。
Electrolysis 4%
Coal 18%
Oil 30%
Natural Gas 48%
2 How is Hydrogen Produced?
Electrolysis of water Use electricity to split water into O2 and H2 Reforming fossil fuels Heat hydrocarbons with steam Produce H2 and CO Biological processes Experimental in laboratories
பைடு நூலகம்
3 Hydrogen Economy
A futuristic vision of an economy based 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。
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。
5.2 Hydrogen production
1 Hydrogen Production Status
Current hydrogen production 48% natural gas 30% oil 18% coal 4% electrolysis Global Production 50 million tonnes / yr Growing 10% / yr US Production 11 million tonnes / yr
（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）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。
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： ① 将太阳光能转化成电能； ② 电解水，得到氢气和氧气； ③ 用管道或车船将氢气输送到居民区和工业中心； ④ 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 ⑤ 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
碳质材料储氢
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。
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
金属氢化物储氢
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。
Hydrogen 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 using PV or wind power is currently the most common method of producing renewable hydrogen.
Biomass Electrolysis Module
4) Other Renewable Hydrogen Production Options
Direct 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 hydrogen 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.